1、火災(zāi)煙流溫度自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng) 摘 要 文章根據(jù)建筑火災(zāi)的特點(diǎn)，探討了中庭火災(zāi)實(shí)驗(yàn)中有關(guān)煙流溫度的測(cè)量方法，介紹了課題組研制的火災(zāi)參數(shù)微機(jī)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，包括測(cè)量系統(tǒng)的組成和軟、硬件設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，兩年多來，通過該系統(tǒng)對(duì)中庭模型進(jìn)行實(shí)測(cè)，獲得了大量數(shù)據(jù)，可供相關(guān)研究領(lǐng)域和工程應(yīng)用參考。關(guān)鍵詞 數(shù)據(jù)采集 煙流特性 建筑火災(zāi) 熱電偶 溫度補(bǔ)償隨著高層建筑的普及，中庭結(jié)構(gòu)在現(xiàn)代建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。所謂中庭，就是高層建筑內(nèi)部在豎直方向上具有一個(gè)或者連續(xù)貫通數(shù)層的封頂大型空間。由于中庭結(jié)構(gòu)的特殊性，使傳統(tǒng)建筑物所采用的防排煙技術(shù)受到了挑戰(zhàn)。針對(duì)中庭防火技術(shù)的新課題，筆者展開了中庭火災(zāi)理論與實(shí)驗(yàn)的研究，這對(duì)制

2、定中庭防火技術(shù)方案和消防安全設(shè)計(jì)十分重要，并可為煙流管理等提供科學(xué)依據(jù)。本課題來源于國家科技進(jìn)步重點(diǎn)項(xiàng)目“現(xiàn)代城市防災(zāi)減災(zāi)系統(tǒng)工程”的子項(xiàng)目“高層建筑中庭綜合防火技術(shù)研究”（編號(hào)：）。課題組研制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是驗(yàn)證中庭火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)物理模型，包括：火源外焰溫度測(cè)試；模形火源的確定；中庭模型煙氣填充實(shí)驗(yàn)等。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于中庭火災(zāi)煙氣運(yùn)動(dòng)物理模型，利用物理模型來研究中庭火災(zāi)煙氣控制是十分重要的。為準(zhǔn)確可靠地對(duì)大空間火情進(jìn)行監(jiān)測(cè)，避免大規(guī)模火災(zāi)的發(fā)生，還有建筑物火災(zāi)閃燃現(xiàn)象的研究、中庭模型煙氣填充實(shí)驗(yàn)研究、火災(zāi)煙流特性研究等，這些都離不開溫度的動(dòng)態(tài)測(cè)量。由于火災(zāi)過程變化快，因此實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)測(cè)量非常

3、關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)過程要求高精度、實(shí)時(shí)測(cè)量。高速攝影雖是一種比較客觀的方法，但價(jià)格昂貴，且標(biāo)定困難，所以課題組研制了火災(zāi)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種動(dòng)態(tài)計(jì)量系統(tǒng)?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，其空間和時(shí)間的狀態(tài)能反映整個(gè)火災(zāi)的過程，應(yīng)考慮各種因素，選好采樣點(diǎn)。具體作法是：根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)觀察到的煙氣運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，合理布置測(cè)點(diǎn)，以便全面反映模型內(nèi)的動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)。另外，還要合理安排實(shí)驗(yàn)過程，盡可能采集到必要的數(shù)據(jù)并減小測(cè)量誤差，其中數(shù)據(jù)采集和處理是關(guān)鍵。 測(cè)量系統(tǒng)的組成火災(zāi)實(shí)驗(yàn)是研究火災(zāi)并獲取火災(zāi)數(shù)據(jù)的重要方法，課題組在重慶大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程研究中心搭建了兩個(gè)火災(zāi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，模型示意圖見圖

4、。實(shí)驗(yàn)采用課題組研制的計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)由溫度傳感器、調(diào)制放大器、卡、計(jì)算機(jī)、顯示器及打印機(jī)等組成，能同時(shí)接入溫度、壓力、流量、重量、濃度等多種傳感器，數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，采集系統(tǒng)既可獨(dú)立工作又可和上位機(jī)配套使用。上位機(jī)在操作系統(tǒng)支持下使用，能方便地進(jìn)行各種參數(shù)設(shè)置，能同時(shí)顯示多路實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線，并具有存盤、回放、打印等多種功能。實(shí)驗(yàn)裝置主要用于實(shí)驗(yàn)過程中火災(zāi)蔓延溫度的測(cè)試，為理論分析提供可靠的數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)能同時(shí)對(duì)多點(diǎn)溫度進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，并實(shí)時(shí)完成分析、處理、顯示等功能。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖所示。溫度傳感器選用熱電偶，將溫度轉(zhuǎn)換為毫伏級(jí)電信號(hào)，經(jīng)調(diào)制放大后，送計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)采集接

5、口箱設(shè)計(jì)成通用型的，可同時(shí)對(duì)溫度、壓力、壓差、流量等進(jìn)行測(cè)量，通過在驅(qū)動(dòng)軟件提供的可視化控制面板上改變?cè)O(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)，如更換傳感器類型、改變采樣時(shí)間等。如果是測(cè)量溫度，則系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的熱電偶類型生成并產(chǎn)生測(cè)試數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)熱電偶選用銅康銅，分度號(hào)為，它的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、便宜，可以在真空、氧化、還原或惰性氣氛中使用，測(cè)溫上限可達(dá)，允許誤差。由于熱電偶的輸出值很?。〞r(shí)為滿度時(shí)也只有），內(nèi)阻也?。ǎ虼艘玫褪д{(diào)、低漂移運(yùn)放，以保證測(cè)量精度和抗干擾能力。眾所周知，測(cè)控系統(tǒng)的性能優(yōu)良與否，不但與微機(jī)硬件、軟件有關(guān)，很大程度上取決于模擬信號(hào)調(diào)理的好壞，而且，有時(shí)模擬信號(hào)的處理比數(shù)字信號(hào)處理

6、難度更大。因此，模擬信號(hào)的調(diào)理歷來受到人們重視。變換器是模擬系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)之間的橋梁。通過變換器，模擬信號(hào)被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并輸出給計(jì)算機(jī)。用單片機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集是一種經(jīng)濟(jì)可行的辦法，多數(shù)情況下數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度位就已夠了，考慮到今后測(cè)量精度可能要求更高，本系統(tǒng)選用了位變換器，利用進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過控制主機(jī)啟動(dòng)多點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集。對(duì)于儀表本機(jī)而言，只要對(duì)模擬線路部分設(shè)計(jì)恰當(dāng)，要達(dá)到較高精度是比較容易的，但對(duì)于由幾百支傳感器和儀表組成的整個(gè)系統(tǒng)而言，若要達(dá)到更高精度則須考慮傳感器的非線性特性和傳感器的分散性。測(cè)量精度主要取決于傳感器的精度等級(jí)、放大器的穩(wěn)定性及電源的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)性能則取決于信號(hào)通道的

7、通頻帶和采集速度。采樣頻率的選擇要確保系統(tǒng)有很好的頻率響應(yīng)，過采樣的好處是可以在必要時(shí)采用數(shù)字濾波，減少穩(wěn)定干擾引起的誤差。由于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境惡劣，極易受電氣設(shè)備啟、停引起的輻射干擾。因此，除了在系統(tǒng)中采取了嚴(yán)格屏蔽、良好接地、濾波等硬件抗干擾措施外，還采取了數(shù)字濾波技術(shù)，收到了良好的效果，系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定，工作可靠。各路傳感器通過接插件與采集系統(tǒng)相連，采集系統(tǒng)再通過串行口與上位機(jī)相連，各項(xiàng)操作可由上位機(jī)操作軟件實(shí)現(xiàn)，也可由采集系統(tǒng)上的按鍵設(shè)置實(shí)現(xiàn)。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制軟件在中文操作系統(tǒng)下運(yùn)行，操作簡(jiǎn)單、直觀，界面美觀大方，能實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)曲線和表格，有錄制、回放、打印等多種操作功

8、能，能將采集完成的數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)文本文件，能實(shí)現(xiàn)中文在線操作幫助，用戶可自定義新增傳感器類型、參數(shù)。軟件主要功能有：（）用戶能方便地設(shè)置各種參數(shù)；（）能以表格形式顯示各檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；（）能以曲線方式顯示檢測(cè)點(diǎn)參數(shù)的實(shí)時(shí)變化；（）能將測(cè)試數(shù)據(jù)存盤、回放；（）能以表格、曲線方式打印各測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；（）能將測(cè)試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)入文檔另作處理。上位機(jī)的軟件開發(fā)采用了公司的 。具有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換（）、對(duì)象鏈接與嵌入（）、支持動(dòng)態(tài)鏈接庫（）、對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作管理以及函數(shù)功能，對(duì)于系統(tǒng)的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理和通信傳輸十分有利。為了實(shí)時(shí)測(cè)量，該系統(tǒng)的單片機(jī)采用匯編語言編寫，具有指令豐富、尋址方式多樣、運(yùn)行速度快、編程方便等優(yōu)

9、點(diǎn)。軟件編程采用模塊化的方法設(shè)計(jì)，主要包括人機(jī)對(duì)話模塊、顯示模塊、數(shù)字量計(jì)算模塊、轉(zhuǎn)換模塊、速率計(jì)算模塊等。該系統(tǒng)最常用的功能是實(shí)時(shí)采集溫度，其計(jì)算機(jī)界面如圖所示。軟件可實(shí)現(xiàn)定時(shí)采樣，包括系統(tǒng)自檢及參數(shù)設(shè)置、選定通道號(hào)、傳感器類型選取、設(shè)置采樣間隔、選擇顯示模式、系統(tǒng)校零、參數(shù)監(jiān)控、參數(shù)錄制等，并能進(jìn)行存儲(chǔ)、回放和處理，根據(jù)需要將結(jié)果輸出和打印。可采用實(shí)時(shí)曲線方式進(jìn)行顯示，也可采用參數(shù)表格的方式進(jìn)行集中顯示?？梢宰杂稍O(shè)定測(cè)試溫度范圍、測(cè)點(diǎn)及分度號(hào)。本系統(tǒng)的特點(diǎn)是開發(fā)成本低、配置靈活、維護(hù)升級(jí)容易。系統(tǒng)軟件包括主程序、功能鍵動(dòng)作處理程序和一些實(shí)用子程序。這些程序都固化在單片機(jī)內(nèi)部中。測(cè)試參數(shù)包括

10、：熱電偶分度號(hào)、測(cè)溫范圍、測(cè)試點(diǎn)數(shù)和測(cè)試相關(guān)的顯示類型等。由熱電偶的測(cè)溫原理可知，要使測(cè)得的熱電勢(shì)與被測(cè)溫度呈單值函數(shù)關(guān)系，參比端溫度必須恒定，因此必須對(duì)參比端溫度的變化采取補(bǔ)償措施。本系統(tǒng)將數(shù)字溫度傳感器置于熱電偶參比端處，使輸出值直接反映熱電偶參比端溫度，根據(jù)熱電偶分度號(hào)及讀取的參比端溫度值，通過軟件實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)贸霰粶y(cè)溫度的真實(shí)值。 結(jié)束語該火災(zāi)參數(shù)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)兩年多的實(shí)際運(yùn)行，系統(tǒng)可靠、準(zhǔn)確、實(shí)用，運(yùn)行工作穩(wěn)定，抗干擾性強(qiáng)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，即采用型熱電偶，經(jīng)過標(biāo)定后，分辨率為，測(cè)量誤差，檢測(cè)速度：路時(shí)秒，完全滿足實(shí)驗(yàn)要求。通過該測(cè)試系統(tǒng)獲得的大量火災(zāi)數(shù)據(jù)，對(duì)火災(zāi)研究有重要意義

11、?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)是分析煙氣運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型并加以驗(yàn)證的基礎(chǔ)，能為模擬仿真提供第一手資料?；馂?zāi)實(shí)驗(yàn)屬于一次性、毀壞性實(shí)驗(yàn)，必須精心設(shè)計(jì)，嚴(yán)密組織，才能準(zhǔn)確、全面地獲得火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但由于火災(zāi)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件十分惡劣，燃燒時(shí)間有限，參數(shù)瞬息萬變，人工測(cè)試根本不能實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)十分必要。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量技術(shù)也在不斷進(jìn)步，開發(fā)研制全自動(dòng)化火災(zāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)包括點(diǎn)火、燃燒過程等全自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制，是今后火災(zāi)實(shí)驗(yàn)要解決的關(guān)鍵問題。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，測(cè)量軟件技術(shù)的作用日趨重要，即使在完善的系統(tǒng)中也只有優(yōu)越的軟件設(shè)計(jì)才能使硬件支撐得到充分的發(fā)揮，并使系統(tǒng)達(dá)到最佳狀態(tài)。參考文獻(xiàn)1 HiroshiYeshino,KuniakiIto,KenAozasa.Trend In Termal Environmental Design ofAtrium Buildings in Japan,Ashrae Trans,1995,101（6）：858865.2 WilliamL.Grosshandler.The Trendof Researchand Technology ofS