快速滅火抑爆系統設計及驗證

(中國船舶重工集團公司第七一三研究所，鄭州 450015)

對于艦船某些貯存彈藥等物資的艙室，一旦發生爆燃或發動機意外點火，對艦船的安全將產生致命的影響[1]。為此，設計一型快速、可靠的滅火抑爆系統，以提升其火災尤其是爆燃及發動機意外點火的早期監控及自動撲救能力。滅火抑爆系統具備以下功能。

1)能夠對艙內發生的油氣爆燃和常規火災及時響應并進行滅火抑爆。

2)能夠實現爆燃火和常規火災的識別，并根據危險等級實施相應的消防處置。

3)艙內火災被撲滅后，系統能夠自動發送排風裝置啟動信號。

4)滅火抑爆瓶故障時，能夠自動增援，滿足抑爆需求。

5)能夠對探測器及滅火抑爆瓶的狀態信息進行顯示。

6)系統故障時，能夠通過應急按鍵手動啟動滅火抑爆瓶。

1 控制單元設計

1.1 硬件

控制單元由殼體、信號處理模塊、負載控制模塊、I/O采集模塊、通信模塊、顯示模塊、電源模塊、連接器等組成，硬件組成見圖1。

圖1 控制單元硬件組成

其中，控制板共有多路4～20 mA電流采集模塊，每一路的電流采集模塊都采用相同的硬件電路設計，通過I/V轉換芯片RCV420將電流信號轉換成0～5 V電壓，然后再通過分壓的方式供單片機AD采集。

圖2 4～20 mA采集模塊

控制盒共有多路輸出信號，每一路輸出模塊都采用相同的硬件電路設計，通過控制繼電器的吸合來實現控制信號輸出。

1.2 軟件

主要由信號采集與顯示模塊，滅火抑爆瓶控制模塊，排風裝置控制模塊，數據發送模塊等組成。其主要功能是通過I/O接口采集乘員艙內各火焰探測器的報警信號、滅火抑爆瓶的狀態信號，并對信息進行處理與顯示；實施對滅火抑爆瓶的自動啟動控制；實施對排風裝置的控制；并能夠將報警信息上傳至監控臺。控制單元軟件流程圖見圖4。

圖3 控制信號輸出模塊

圖4 控制單元軟件流程

2 快速紫紅外火焰探測器設計

快速紫紅外火焰探測器能夠對艙內的油氣爆燃與常規火災快速反應，上傳報警信號，并能夠排除干擾源，只對火災危險反應[2]。

2.1 火焰探測器硬件設計

火焰探測器由兩種不同波長的光學敏感器件、信號處理電路、報警信號顯示電路、接口電路、防爆殼體等組成，硬件組成見圖5。

圖5 火焰探測器硬件組成

其中，紫外傳感器選用日本濱松的紫外光電管R2868，其工作電壓DC325±25 V。首先通過變壓器T1產生直流高壓供給R2868，從而驅動紫外光電管正常工作。然后通過CD4093、HCF4017和HEF4538對紫外光電管輸出的脈沖進行整形、計數以及濾波，消除干擾。最后通過高速光偶將脈沖輸入到主控芯片的引腳。

紅外傳感器選用的是PYD-1220 A型熱釋電紅外傳感器。通過OPA2335運算放大器將紅外傳感器輸出的毫伏信號進行兩級放大，最后通過主控芯片自帶的AD進行采集。

2.2 火焰探測器軟件設計

微控制器采集紫紅外探測模塊輸出的脈沖信號和強度信號。其程序流程圖見圖6。

圖6 獲取紫外脈沖與紅外信號強度的流程

根據硬件采集到的紫外探測模塊發送的脈沖數量、紅外探測模塊發送的光譜強度信號制定火災識別判定算法：每2.5 ms時間內，定時器模塊和AD模塊將每個100 μs檢測一次紫外和紅外傳感器的輸出信號，并連續分析最近的若干次數據，將分析結果與存儲的火災特征庫的發生火災時的紅外和紫外特征進行對比。針對紫外傳感器，設定脈沖數量閾值N，當微處理器接收到的脈沖數量大于N，紫外報警狀態位置1；針對紅外傳感器，設定光強度閾值T，當微處理器接收到的紅外光強大于閾值T，紅外報警狀態位置1；當紫外報警狀態位于紅外報警狀態位均為1時，該探測器輸出報警信號,程序流程見圖7。

圖7 火災判定流程

3 試驗驗證及結果分析

試驗模型的形狀、容積及密封性能應與真實車型等效；試驗模型內對油氣爆燃的探測和抑制有影響的物件用模擬物代替。

3.1 探測性能試驗結果分析

3.1.1 響應時間

距離火焰探測器400 mm擺放內徑127 mm、深度76 mm的火盆，使得火焰探測器對標準火焰直射，通過高速攝像機記錄標準火盆點燃瞬間至火焰探測器報警指示燈點亮的畫面，通過10次真實點火試驗,驗證了火焰探測器對爆燃火的響應時間，試驗場景見圖8，結果見表1。

圖8 響應時間試驗場景

表1 火焰探測器對爆燃火響應時間試驗結果

3.1.2 探測角度

在距離火焰探測器400 mm處擺放標準火盆，將火焰探測器沿探測視角中心軸線分別沿水平和豎直方向旋轉，調整探測視角的中心軸線與標準火盆在同一水平和豎直方向形成±45°的夾角，通過10次試驗驗證探測器均能正確報警。

3.1.3 抗干擾能力

將火焰探測器分別對標準要求的各種干擾源直射，火焰探測器均未發出報警信號，抗干擾能力試驗場景見圖9，試驗結果見表2。

圖9 干擾源試驗

表2 火焰探測器抗干擾試驗結果

3.2 滅火抑爆效能試驗結果分析

3.2.1 控制輸出

通過真是點火試驗使得火焰探測器報警，控制單元顯示屏顯示對應報警火焰探測器的狀態，火災報警指示燈閃爍，蜂鳴器鳴叫，模擬負載的1～4號滅火抑爆裝置指示燈全部點亮；通過示波器觀察控制單元采集到報警信號至發出控制輸出指令所需時間，均在10 ms以內。

3.2.2 狀態采集

將滅火抑爆將模擬負載的滅火抑爆裝置狀態選擇開關依次由“正常”撥至“釋放”，檢查控制單元顯示屏中各滅火抑爆裝置的狀態變化均能正常反應其釋放狀態。

3.2.3 自動增援

將模擬負載上任一滅火抑爆裝置狀態選擇開關撥至“故障”狀態，通過真實點火使得火焰探測器報警，備用滅火抑爆裝置指示燈點亮。

3.3 滅火抑爆效能試驗結果分析

在試驗模型中搭建滅火抑爆系統樣機，放置300 mm×300 mm×100 mm的油池，倒入適量柴油，用電子點火器進行點燃(通過正庚烷引燃)，火焰探測器報警后由控制單元啟動滅火抑爆瓶。通過高速攝像機拍攝滅火抑爆瓶的釋放畫面，從滅火抑爆瓶釋放出滅火劑那一幀算起，到壓力開關動作(通過示波器或萬用表檢測)，計算有效釋放時間[3]，火盆熄滅且不復燃。試驗結果見表3。其中，83 ms為10次試驗的最長釋放時間。

表3 滅火抑爆瓶功能性能驗證試驗記錄表

4 結論

系統能夠實現對爆燃火災的5 ms內的探測響應，并有效排除可能出現的干擾源；控制單元能夠實現10 ms內的控制輸出，結合滅火抑爆裝置的釋放時間，本系統從發生爆燃至完成滅火抑爆的全過程所需時間不大于100 ms，功能性能滿足設計要求。