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文|张博然的研究室编辑|张博然的研究室前言对高海拔地区火灾探测工程的兴趣源于保护当地民众和历史建筑的需要。
中国的青藏高原就是这样的地区之一，平均海拔为4公里。
它被称为世界屋脊和第三极，拥有包括布达拉宫在内的数千座历史建筑。
在高海拔地区，湿度、气压和温度等环境参数会显著影响火灾的发展和燃烧行为。
随着海拔的升高，环境压力的降低和氧气的绝对浓度会减慢液体和固体燃料的燃烧速度。
火焰的物理特性和温度分布也会受压力影响，从而影响烟雾的形成、浓度和运动，给烟雾探测器带来新的挑战。
环境参数对火灾动态和燃烧行为的影响火灾燃烧过程的关键参数之一是燃烧速率，也是确定烟雾行为的重要变量。
以往关于压力对木材、柔性聚氨酯、正庚烷等燃烧速率影响的实验研究表现出复杂的趋势。
最近的研究基于压力模型和辐射火灾模型从理论上推导了海拔或压力影响与燃烧速率之间的总体相关性，可以有效预测液体燃料在不同海拔高度的燃烧速率变化。
烟雾探测器广泛用于火灾探测，主要包括线型和点型。
在高海拔地区的研究中发现，随着海拔的升高，烟雾探测器的响应受影响，可能无法及时触发警报，这会影响火灾的及时探测和处理。
进行了基于EN54测试标准的对比火灾试验。
采用两种常见的点型烟雾探测器，即基于光散射的光电烟雾探测器和基于测量电离室的电离烟雾探测器，研究了海拔高度对烟雾温度变化的影响，以及火灾烟雾特性和探测器响应规则。
这些研究结果将为高海拔条件下烟雾探测器的设计和消防工程提供有益的参考。
为了进行对比实验，在拉萨和合肥分别建设了两间符合EN54标准的测试室。
每个测试室的尺寸为长10米、宽7米、高4米，并通过空调来控制空气温度和湿度，以消除额外的干扰因素。
在实验室中央的地板上设置了不同类型燃料的火源，用厚石膏板保护板下方的电子天平来记录燃料质量变化。
两种点型烟雾探测器安装在距离火源3米的位置处，包括光电烟雾探测器和离子烟雾探测器，用于测量烟雾浓度。
烟雾浓度计和电离室仪表也固定在探测器附近的3米处。
烟层温度则使用直径为0.5毫米的K型铠装热电偶阵列，在天花板下不同位置的热电偶T1-T4来进行测量。
研究中还使用高清数码相机来监测燃料燃烧行为和烟雾运动。
对比实验中，选择了四种不同类型的EN54测试火源，包括两种阴燃火和两种明火。
整个实验过程严格按照EN54测试方法的要求进行，同时在线记录烟雾探测器的响应信号、烟雾浓度以及各个传感器的温度，并可以通过控制室的显示终端进行实时监控。
TF2在不同海拔高度下的燃烧速率以及烟雾探测器信号的对比。
由于两种探测器的信号处理机制不同，它们的背景值也有所不同。
从图中可以看出，在阴燃条件下，海拔高度对木材燃烧质量损失的影响可以忽略不计，而有焰燃烧条件下的有限耗氧率明显较低。
质量损失相比，Pho烟雾探测器和Ion烟雾探测器的响应时间在约1000秒左右开始，这表明它们的响应被严重延迟。
这是因为在阴燃条件下，由于低温浮力驱动烟雾运动缓慢，加上周围冷空气的冷却作用，烟雾更难以到达天花板。
烟灰颗粒尺寸分布的数字图像处理方法根据TF4明火条件下的测试进一步探究了海拔高度对火焰燃烧特性的影响。
与之前的研究一致，火焰燃烧速率在低压条件下受到影响，这取决于火焰的规模，观察到在高海拔地区，单位体积的烟灰形成率明显减缓，导致火焰燃烧速度减慢。
在实验中，注意到在明火条件下，火源产生的烟尘粒径分布较大，这与阴燃条件下的烟灰颗粒相比有所不同。
明火火源放热速率和燃烧率较高，使得初生烟尘颗粒较多，并且烟尘浓度相对较大。
火焰产生的烟尘凝结更为显著，导致烟尘尺寸相对较大。
在烟雾探测器响应特性的比较中，观察到Pho烟雾探测器在明火条件下的响应水平较高，而离子烟雾探测器的响应则相反。
这种差异是由于烟雾探测器中电离室的检测原理。
在明火条件下，火源产生的烟尘较多，导致电离空气粒子的碰撞面积增加，从而引起了较强的电离效应。
离子烟雾探测器的信号相对较强。
而在阴燃条件下，火源产生的烟尘较少，导致电离空气粒子碰撞面积减小，使得离子感烟探测器响应信号较弱。
高海拔地区火灾探测和燃烧特性受到多种因素的影响，包括环境参数、燃烧条件和烟雾探测器的工作原理。
这些复杂的影响机制需要在火灾探测器的设计和消防工程中予以考虑。
明火条件下烟雾探测器的响应速度比阴燃测试要快得多。
从视频监视器中可以看到，燃烧开始几秒钟后，烟雾就已经到达天花板。
由于光散射强度与烟尘颗粒数密度成正比，这解释了为什么Pho烟雾探测器的信号与燃烧速率呈现相同的趋势。
虽然电离室的信号强度也应与烟尘颗粒数密度成正比，但拉萨的离子烟雾探测器信号与Pho烟雾探测器的信号相比，显示出显著增加。
现在回到TF2测试中提到的问题，即Pho和Ion烟雾探测器对于阴燃和明火燃烧的不同响应行为。
造成这种差异的主要原因在于离子烟雾探测器中电离室的检测原理。
该原理是基于烟尘颗粒进入腔室并与电离空气颗粒碰撞产生的电流变化，而这一过程也受到海拔和气压的影响。
高海拔地区电离室中的初始电离空气粒子数量或初始电流I较小。
离子烟雾探测器的响应信号与ΔI / I成正比，其中ΔI是烟尘颗粒进入腔室并与电离空气颗粒碰撞引起的电流变化，信号值由ΔI减小和高海拔处I减小的竞争效应决定。
对于TF2和TF3的阴燃条件，由于压力对烟尘产生的影响有限，I的下降速度比ΔI的下降速度快。
这导致高海拔地区的离子烟雾探测器响应信号较强。
火灾检测中的报警算法灵敏度调整考虑到烟雾探测器的灵敏度与烟灰颗粒尺寸密切相关，以及海拔高度可能对烟灰尺寸产生影响，采用铜网取样烟灰和扫描电子显微镜技术，通过数字化方法研究了烟灰颗粒的尺寸分布。
展示了在两种海拔条件下阴燃棉花和正庚烷火焰产生的烟灰颗粒的SEM图像，放大倍数为5000。
为了比较不同海拔高度下烟雾探测器的响应规律，对两个地点每次试火的信号特征进行了详细分析，包括烟雾探测器响应的上升速度和峰值。
通过对响应信号数据的上升阶段进行计算，得到了Pho和Ion烟雾探测器的平均上升速度，采用了中列出的计算方法，其中ΔS表示探测器信号的最大值减去初始值的增量，t0.9ΔS和t0.1ΔS分别表示达到0.9ΔS和0.1ΔS的时间。
在研究结果中发现，在相同的燃料或火源下，高海拔地区的烟雾探测器响应表现出复杂的特征。
尤其是对于明火的火灾，例如TF4和TF5的情况，在高海拔地区，响应速度的增加相对较少。
这一现象可能归因于气压对火焰燃烧特性的影响，导致燃烧速率减慢和烟尘形成率较低。
由于许多烟雾探测器使用趋势或阈值算法来进行火灾报警，因此在高海拔条件下，必须对报警算法的灵敏度进行调整，以适应低气压条件下的火灾检测要求。
这些研究结果对于高海拔地区火灾安全管理和探测技术的发展具有重要意义。
火灾探测器作为早期火灾警报的重要装置，其性能和灵敏度的适应性对于减少火灾事故的损失至关重要。
建议在高海拔地区应用烟雾探测器时，应该充分考虑燃烧条件和环境参数，对探测器的工作参数进行合理设置，以确保其准确和可靠地识别火灾风险，及时报警，保障人员和财产的安全。
研究在相同的燃料或火源下，高海拔地区的烟雾探测器响应会因燃烧条件的不同而变得复杂。
特别是对于明火的火灾，如TF4和TF5的情况，在高海拔地区，响应速度的增加相对较少。
由于许多烟雾探测器使用趋势或阈值算法来进行火灾报警，因此必须调整报警算法的灵敏度，以适应低气压条件下的火灾检测。
基于Litton提出的方法，使用烟雾浓度计研究了离子烟雾探测器信号与光密度之间的关系。
考虑到阴燃火灾产生的烟尘粒径较小，电离空气粒子的碰撞面积也会比相同浓度的明火烟雾烟尘小，导致阴燃燃烧的离子感烟探测器响应信号较弱。
总结高海拔对燃烧特性和探测器响应影响的相关研究的层次图，以便更好地理解基于物理因果关系的情况。
结论在这项符合EN54标准的实验研究中，探究了海拔高度对典型可燃物燃烧过程的影响，以及不同型号的烟雾探测器的响应信号对比。
由于阴燃火燃烧过程所需的氧气消耗量较少，海拔高度对于这种燃烧类型的质量损失和燃烧速率影响不明显。
Pho烟雾探测器的响应信号也表现出类似的趋势。
在TF4和TF5测试中，燃烧速率较高，这是由于火焰燃烧时放热量大且湍流浮力强，导致舱内烟雾快速运动。
随着火焰燃烧速度的减小，信号在高海拔处也明显减弱。
海拔对Ion烟雾探测器的影响不如Pho烟雾探测器显著。
Ion烟雾探测器基于电离室的检测原理，提出了一种机理分析来研究这种现象。
通过比较每次测试的探测器响应信号速度和峰值的平均增量，为高海拔探测器参数和算法设计以及消防工程提供了定量参考点。