專利名稱：用于配置探測隧道火的系統(tǒng)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及探測隧道中火的領(lǐng)域，為完成該目的，現(xiàn)在使用包括一個線性熱傳感器的探測系統(tǒng)。西門子建筑技術(shù)公司，Cerberus分部，原來的Cerberrus有限公司以名稱“FibroLaser”出售這種探測系統(tǒng)。上述系統(tǒng)包括一個適合于隧道頂部的玻璃光纖纜、一個激光源和一個光電子接收器。激光器產(chǎn)生的光線耦合進玻璃光纖纜中，并且在玻璃光纖纜的縱向方向上傳輸。由于熱效果造成硅玻璃的密度的變化，導致一個連續(xù)散射(瑞利散射)，反過來它導致激光的減弱。另外玻璃材料的熱晶格振動導致進一步的光散射，即Raman散射。
小部分被散射光線落入波導的孔徑角中，并且在前向和反向方向上散射。散射光線能夠被光電子接收器探測到；通過評估特定的反向散射的頻率強度，可以確定局部玻璃光纖的溫度。通過測量波導光的衰減，得到沿著玻璃光纖纜的溫度分布的局部分辨率。火的幅度是受熱纜長度的函數(shù)；短的受熱長度對應(yīng)于小火，長的受熱纜長度對應(yīng)于大火。
本發(fā)明涉及一種配置一種探測隧道火系統(tǒng)的方法，這種系統(tǒng)包括一個具有一個傳感器纜的線性熱傳感器。根據(jù)本發(fā)明的方法能夠在規(guī)劃階段以靈活的方式根據(jù)隧道的物理和局部環(huán)境獨立盡早設(shè)置探測隧道火系統(tǒng)。
根據(jù)本發(fā)明實現(xiàn)該目標，其中根據(jù)隧道和傳感器纜的參數(shù)以及火模型，計算火發(fā)展和火警報時間，并且以快速和可靠探測可能火源的方式，優(yōu)化探測系統(tǒng)傳感器纜的安裝點和警報極限值。
根據(jù)本發(fā)明的方法基本上是一個模擬隧道中各種火的模型，以便于能夠有效的針對性的規(guī)劃新系統(tǒng)，并且為了測試上述系統(tǒng)定義適當?shù)臏y試火。
根據(jù)本發(fā)明的第一個優(yōu)選實施例的特征在于隧道的參數(shù)包括關(guān)于隧道尺寸和隧道中風特性的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個優(yōu)選實施例的特征在于通過纜的物理屬性、它的位置和敷設(shè)幾何結(jié)構(gòu)并且通過測量技術(shù)物理確定傳感器纜的參數(shù)。
第三個優(yōu)選的實施例的特征在于火模型包括局部模型，局部模型包括一組通過理論計算和實踐經(jīng)驗得到的參數(shù)。
火模型優(yōu)選的包括兩個部分模型，即在反應(yīng)區(qū)域中的火發(fā)展和在反應(yīng)區(qū)域上的冷卻區(qū)域內(nèi)的燃燒氣體的特性。
在局部模型-火發(fā)展中，包括計算反應(yīng)區(qū)域和火發(fā)展中的反應(yīng)焓、能量結(jié)算、上升力。在局部模型-在冷卻區(qū)域(即卷流模型)中燃燒氣體特性中，基本上根據(jù)擾動的外圍區(qū)域中周圍氣體的混合物計算熱燃燒氣體的流動特性。
另外，本發(fā)明涉及一種設(shè)備，用來配置一個探測隧道火的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個具有一個傳感器纜的線性熱傳感器。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的特征在于以下元件a．用于存儲隧道和傳感器纜參數(shù)和火模型參數(shù)組的存儲裝置；b．用于根據(jù)存儲的參數(shù)和參數(shù)組計算火發(fā)展和傳感器纜的綜合受熱的計算裝置；c．用于輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的輸入裝置；d．用于顯示和/或輸出隧道和傳感器纜的對于特定參數(shù)的火警報時間或者用于設(shè)置警報極限值和火警報時間的參數(shù)的顯示裝置。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備例如由一臺膝上型電腦或者其他可移動的計算機構(gòu)成，這種計算機具有一個輸入鍵盤、一個顯示屏幕、一個打印機連接器和一個CD-ROM驅(qū)動器，其中在一個CD-ROM上存儲了火模型的參數(shù)組和用于計算傳感器纜受熱和警報時間的程序，可以使用輸入鍵盤輸入隧道和傳感器纜的參數(shù)。
下面參考附圖詳細說明本發(fā)明的一個實施例，附圖如下

圖1一個用于計算包括一個熱傳感器的隧道火探測系統(tǒng)的火警報時間的主程序的流程圖；圖2一個用于計算火發(fā)展的子程序的流程圖；和圖3一個用于傳感器纜中溫度計算的子程序的流程圖。
隧道火探測領(lǐng)域中的經(jīng)驗說明為了可靠并快速探測火，必須考慮燃燒特性和火等級、風特性、隧道幾何結(jié)構(gòu)、傳感器的空間布局、火的位置等。在許多案例中，使用、一個具有一個線性熱傳感器構(gòu)成的探測系統(tǒng)，例如西門子建筑技術(shù)公司，Cerberus分部，原來的CerberrusAG以名稱“FibroLaser”出售這種探測系統(tǒng)。以FibroLaser已經(jīng)公開為前提條件；在這種關(guān)系上，參閱本說明和FibroLaser系統(tǒng)說明書。
既然由于在火中復(fù)雜的熱力學過程，事實上只部分考慮所有影響的數(shù)量也是不可能的，配置一個包括一個線性熱傳感器的探測系統(tǒng)是極其艱苦和費時的，并且必須進行大量實際測試。本方法通過以下措施從根本上簡化了配置通過為應(yīng)用工程師提供一個模擬程序，其中該程序已經(jīng)過工作臺范圍和大范圍測試確認，使用這種程序，從給定系統(tǒng)參數(shù)中計算得到警報時間，因此能夠允許將系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整到一個預(yù)定警報時間上。
計算方法根據(jù)燃燒過程的熱力學模型，其中熱力學模型實現(xiàn)物理(質(zhì)量、能量、動量)數(shù)量的轉(zhuǎn)換，并且只需要一些經(jīng)驗值。模擬模型包括下面局部模型●根據(jù)燃燒材料的最終分析，計算反應(yīng)焓；●在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)能量結(jié)算和質(zhì)量結(jié)算；●反應(yīng)區(qū)域的長度；●在卷流中能量結(jié)算(=在反應(yīng)區(qū)域上的冷卻區(qū)域)；●在一個自由噴射模型基礎(chǔ)上卷流中的流動機制；●在反應(yīng)區(qū)域和卷流上面隧道中的風的影響；●火發(fā)展；●通過輻射和對流以及在傳感器纜中熱傳導的實現(xiàn)熱交換。
模擬模型特別得到下面的輸入?yún)?shù)●火直徑圓的直徑，圓在面積上等于燃燒的所有面積；●隧道高度在車道和隧道高度之間的距離，其中在具有弧形頂?shù)乃淼赖睦又?，在弧形區(qū)域內(nèi)平均頂?shù)母叨纫话闶强梢越邮艿?，但是總是位于傳感器纜的上面；●隧道寬度在隧道中間高度上隧道墻之間的最短距離；●在傳感器和地之間距離在傳感器纜和車道之間最短距離；上述距離通常小于隧道高度；●傳感器和火之間的距離火面積中心和傳感器纜之間的最短距離；上述距離一般大于傳感器和地之間的距離；●風風速對應(yīng)于沿著車道通過隧道橫截面的空氣速度。假如通過一個閥門，起動一個強的橫向流，大小大于沿著車道的風的速度，那么使用橫向速度；●傳感器纜區(qū)域中的風在隧道中的風具有一個分布，它在墻和頂一般趨向于零。假如傳感器纜靠近頂或者墻，那么將考慮這個效果。從表中能夠得到標準值；●隧道壓力在火區(qū)域內(nèi)周圍壓力；由所有在海平面高度決定；●隧道溫度在火區(qū)域內(nèi)周圍溫度；●傳感器直徑傳感器纜外部直徑；在冬季，對探測系統(tǒng)中警報溫度的分辨力有影響；●警報溫度溫度極限值，在這個值上或者該值之上探測系統(tǒng)指示一個火警報。上述值一般位于50℃至80℃之間的區(qū)域內(nèi)。在隧道入口和出口區(qū)域內(nèi)，低于50℃警報溫度可能觸發(fā)錯誤警報；●警報溫度的梯度在所有時間內(nèi)溫度的增加用于確定形成觸發(fā)火警報的極限值的梯度。每秒升高的溫度快于極限值，觸發(fā)一個警報信號。所說的極限值一般是0.1℃/秒，對應(yīng)于每分鐘6℃；●火加速速度向火的所在地給于無限的空氣供應(yīng)，火的發(fā)展速度隨著時間線性增長。對于具有火面積A的火在時刻t的燃燒能力，Q*=A.B.t2，其中所謂火加速度的速率B是對火發(fā)展直到完全燃燒的測量。對于B，存在著經(jīng)驗值，它們存儲在一個表中。
原則上，所有上述參數(shù)適合于最壞情況。例如對于傳感器和火之間的距離，最壞情況是從傳感器纜到車道邊緣對角線的長度。自然的，卡車的燃燒的防水油布的位置基本上非?？拷鼈鞲衅骼|，但這不是問題，因為能夠更好的探測到這樣的火?；鸬闹睆?，也就是火面積，對于隧道中的小轎車和卡車都是已知的，例如假設(shè)為1米，它對應(yīng)于大約0.8m2的火面積。
圖1說明計算根據(jù)本發(fā)明用于隧道火的探測系統(tǒng)的警報時間的主程序的流程圖。在第一步，輸入隧道和傳感器纜必需的參數(shù)；在系統(tǒng)中存儲火模型的參數(shù)組。
然后選擇傳感器纜中的計算模型。傳感器纜包括一個被涂上熱傳輸化合物的玻璃纖維，一個圍繞著玻璃纖維和它的外涂層的例如1.6mm的直徑的鋼絲管，一個由聚乙烯材料構(gòu)成的大約8mm直徑的外套管。傳感器纜不僅被圍繞著它流動的燃燒氣體(對流熱交換)加熱，而且被熱輻射加熱，兩種類型的熱運動可以分別或者同時發(fā)生。對于纜和玻璃纖維的受熱，可以使用兩個不同的計算模型-均勻模型和微分模型，它們在精確性和計算速度上不同。
在均勻模型中，忽略穿過外套的溫度分布，并且假設(shè)整個纜被加熱到一個平均溫度。在微分模型的例子中，該模型基本上需要更多的計算時間，通過解答不穩(wěn)定的導熱二次方程的方法，精確計算在傳感器中玻璃光纖的受熱。在本例中因為傳感器纜具有不同的層，所以這個方程式必須被擴展成耦合的微分方程系統(tǒng)。在圖3中，說明用于傳感器纜中溫度計算的微分模型的子程序。
在輸入關(guān)于傳感器纜的技術(shù)數(shù)據(jù)后，根據(jù)圖2的子程序在沒有風影響的情況下計算完全燃燒。它提供了反應(yīng)區(qū)域(火焰區(qū)域)和卷流內(nèi)的溫度，也就是兩個負責加熱傳感器纜的大小。根據(jù)圖2，為了計算完全燃燒，輸入熱力學開始值和燒掉速率WSBR的開始值，其中燒掉速率表示火發(fā)展，直到完全燃燒。以增量￡W反復(fù)重復(fù)燒掉速率的開始值，直到燒掉速率滿足對應(yīng)于完全質(zhì)量結(jié)算的值。
在火中，著火材料的物質(zhì)被反應(yīng)區(qū)域內(nèi)空氣氧化，其中上述氧化反應(yīng)釋放的熱能加熱反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的氣體。在大多數(shù)火中，元素碳、氫和硫被氧化；在著火材料中，可能包括的任何鹵素優(yōu)先和氫反應(yīng)。為了模擬，鹵素含量以及稀有元素假設(shè)可以忽略。
在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，首先構(gòu)成CO2、H2O和SO2，其中釋放每摩爾特定熱量。當氧缺乏時，構(gòu)成更多的CO，同時水煤氣反應(yīng)起著重要作用，其中這些消耗能量的還原依賴于離析物的補給和反應(yīng)區(qū)域的溫度。從已知的反應(yīng)方案出發(fā)，在理想的、完全燃燒情況下，可以從化學計量學上確定氧需求，并且從需要氧的質(zhì)量、火的質(zhì)量和空氣的質(zhì)量分量得到化學計量學上的空氣質(zhì)量。
在自然對流的著火的例子中，在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)，更多的空氣被轉(zhuǎn)換，超過燃燒反應(yīng)所需要的化學計量，這些額外的空氣是多余的空氣數(shù)量。從所謂的kB因數(shù)可以計算出后者，使用這個系數(shù)從用于惰性氣體火熄滅的標準確定最小的氧分量。最小氧分量是維持燃燒反應(yīng)必需O2的濃度，可能超過化學計量的空氣需求。
在不完全燃燒的例子中，在CO2為代價，構(gòu)成更多CO和自由氫。上述例子中，氧需求大于在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)可以提供的進入氣體。從著火材料中碳、氫、硫和氧的質(zhì)量分量和進入氣體的質(zhì)量分量中得出燃燒氣體中CO2的分量，并且從中確定其它的反應(yīng)產(chǎn)物和反應(yīng)焓。
同樣可以在化學計量上確定著火材料釋放的燃燒熱或者反應(yīng)焓。另外，大多數(shù)材料燃燒焓可以用實驗方法按照火技術(shù)工作細則(Sprinkler指南，DIN4201,DIN 18232，等等)來確定并且能夠從相應(yīng)表中查到。
從反應(yīng)區(qū)域內(nèi)燃燒氣體的組成，計算反應(yīng)區(qū)域內(nèi)熱功率，并且這時得到的溫度和火焰長度和焓和質(zhì)量結(jié)算循環(huán)。最終，從氣體容積流和氣體通過反應(yīng)區(qū)域的速度，確定反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的瞬間結(jié)算，實現(xiàn)根據(jù)全部質(zhì)量結(jié)算的燒掉速率的循環(huán)。只要燒掉速率等滿足對應(yīng)于預(yù)期的火持續(xù)時間的值，那么從反應(yīng)區(qū)域到頂?shù)木砹靼l(fā)展被附加包括進瞬間結(jié)算、質(zhì)量結(jié)算和焓結(jié)算，并且考慮空氣混合物和風校正。
在反應(yīng)區(qū)域上面的冷卻區(qū)域中，受熱的燃燒氣體在擾動外圍區(qū)域內(nèi)和周圍氣體，例如空氣混合，因此垂直向上流動的氣體變寬。為了模擬，假設(shè)上升的燃燒氣體的特性對應(yīng)于擾自由輻射，反應(yīng)區(qū)域作為輻射核。通過在垂直層上能量結(jié)算可以測定溫度降低是高度的函數(shù)，平均的上升高度可以通過瞬間結(jié)算在局部卷流橫界面上測定，因此最終得到卷流中局部的速度降低。
假設(shè)卷流象一個擾動的自由輻射，其展開的角度為8°到15°。從氣流和環(huán)境之間的壓力差可以確定上述角度相關(guān)關(guān)系。最大10m/s的風速在隧道橫截面上是一個擾動的縱向流，擾動群比隧道橫截面積小。這個空氣流盡管與隧道尺寸相比具有高的雷諾數(shù)量，在106的范圍內(nèi)，但可以分層描述。在這個觀點上，允許下面的假設(shè)風的瞬間流動與卷流的瞬間流動疊加，因此不需要卷流完全形成漩渦，卷流中的氣體被風帶走。風的影響使卷流偏向傾斜一個特定的角度，這可以從卷流中氣體速度和隧道中風速度的比率來確定。
從計算火發(fā)展的子程序中得到的結(jié)果是反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的溫度和在完全燃燒的例子中卷流的溫度。
然后，開始溫度循環(huán)，其中在1秒增加Δt計算所有熱力學狀態(tài)，因此能夠精確映射火發(fā)展。在幾分鐘的一個特定的最大時間tEnd中運行模擬，在到達tEnd時，隨著顯示和/或者打印火警報標準結(jié)束該模擬。像顯然從圖1中看到的，輸入實際的火面積，然后計算沒有風影響的火。然后輸入在反應(yīng)區(qū)域和卷流的風影響，同樣輸入從火面積導探測纜的距離。然后，使用在反應(yīng)區(qū)域和卷流中的溫度，實現(xiàn)計算在隧道橫截面上的具有風的火，計算擾動熱氣層的溫度，計算給定的全部擾動混合物的溫度。然后確定流進纜表面(對流或者輻射)的熱，并且隨后估算對流熱和輻射是否共同遵循表。
然后根據(jù)圖3中的微分模型實現(xiàn)計算穿過傳感器纜到玻璃光纖的熱傳導。根據(jù)圖3，輸入在時間t=0時，纜材料的數(shù)據(jù)和初始和邊緣條件，并且固定積分增量Δtk。后者例如是10-3秒。每10-3秒計算纜中溫度分布，但是值根據(jù)主程序中的時間增量傳輸，僅在每tk=tn時，也就是例如每秒，傳輸?shù)街鞒绦?。然后，使用微分方法解導熱二次方程，并且在每個例子中，在時間tn后，纜中溫度分布是可用的。
使用纜中的溫度分布，在主程序中形成溫度梯度。它隨后檢查在模擬期間是否卷流在輻射區(qū)域內(nèi)到達纜；如果是這樣，疊加對流和輻射。然后，測試確知纜的兩個測量位置是否位于輻射區(qū)域內(nèi)；如果不是這樣，存在著輻射面積溫度的衰減。最后，測試警報標準并且以時間增量t打印火警報時間。在達到預(yù)設(shè)的全部模擬tEND期間后，打印警報標準，并且結(jié)束模擬。
用戶現(xiàn)在知道使用輸入的參數(shù)是否可以得到預(yù)期的火警報時間或者是否需要替換其中的一些參數(shù)。
權(quán)利要求
1.配置一個探測隧道火的系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包括一個具有傳感器纜的線性熱傳感器，其特征在于，根據(jù)隧道和傳感器纜的參數(shù)以及火模型，計算火發(fā)展和火警報時間，并且優(yōu)化傳感器纜的安裝點和探測系統(tǒng)的警報限制值，以便于盡快可靠地探測到可能火源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，隧道參數(shù)包括隧道大小和隧道內(nèi)風的特性的數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，傳感器線纜的參數(shù)由線纜的物理屬性、它的位置和敷設(shè)的幾何結(jié)構(gòu)以及測量技術(shù)的物理性能決定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一個的方法，其特征在于，火模型包括局部模型，局部模型包括理論計算和實際經(jīng)驗得到的參數(shù)組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其特征在于，火模型包括一個局部模型-反應(yīng)區(qū)域內(nèi)的火發(fā)展和一個局部模型-位于反應(yīng)區(qū)域上面冷卻區(qū)域內(nèi)的燃燒氣體特性。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其特征在于，在局部模型-火發(fā)展中，計算反應(yīng)焓、能量結(jié)算和在反應(yīng)區(qū)域的上升力和火發(fā)展。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或者6的方法，其特征在于，在局部模型-冷卻區(qū)域中燃燒氣體特性中，根據(jù)在擾動邊緣區(qū)域中周圍氣體的混合物，計算熱燃燒氣體的流動特性。
8.配置一個探測隧道火的系統(tǒng)的設(shè)備，這種系統(tǒng)包括具有傳感器纜的線性熱傳感器，其特征在于，包括下面的元件a．用于存儲隧道和傳感器纜的參數(shù)和火模型參數(shù)組的存儲裝置；b．用于根據(jù)存儲的參數(shù)和參數(shù)組計算火發(fā)展和傳感器纜的綜合受熱的計算裝置；c．用于輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的輸入裝置；d．用于顯示和/或輸出隧道和傳感器纜的對于特定參數(shù)的火警報時間或者用于設(shè)置預(yù)先給定的警報極限值和警報時間的參數(shù)的顯示裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，一臺膝上型電腦或者其他可移動的計算機，其具有一個輸入鍵盤、一個顯示屏幕、一個打印機連接器和一個CD-ROM驅(qū)動器，其中在一個CD-ROM上存儲了火模型的參數(shù)組和用于結(jié)算火發(fā)展、傳感器纜受熱和警報時間的程序，可以使用輸入鍵盤輸入隧道和傳感器纜的參數(shù)。
全文摘要
探測隧道火的系統(tǒng),計算火發(fā)展和火警報時間,并且優(yōu)化安裝點和警報限制值,以盡快可靠地探測到可能火源。探測隧道火系統(tǒng)的設(shè)備包括這些元件:用于存儲隧道和傳感器纜參數(shù)和火模型參數(shù)組的存儲裝置;用于根據(jù)存儲的參數(shù)和參數(shù)組計算火發(fā)展和傳感器纜的綜合受熱的計算裝置;用于輸入數(shù)據(jù)和參數(shù)的輸入裝置;用于顯示和/或輸出隧道和傳感器纜的對于特定參數(shù)的火警報時間或者用于設(shè)置警報極限值和火警報時間的參數(shù)的顯示裝置。
文檔編號G08B17/00GK1307319SQ0110321
公開日2001年8月8日 申請日期2001年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月3日
發(fā)明者R·梅格爾勒, R·諾茨, B·科維利 申請人:西門子建筑技術(shù)公司