离子感烟火灾探测器温度自补偿的设计

离子感烟火灾探测器温度自补偿的设计

     摘要　分析了离子火灾探测器工作的基本原理，提出了电压随温度漂移法对探测器实行温度自补偿的原理和方法，给出了实际使用过程中补偿的电路原理框图，并对使用自补偿前后的结果进行分析，指出其对节约CPU的计算时间有十分重要的意义。
    
     引言
    
    　　对于传统的火灾报警控制系统中广泛使用的离子探测器，大多数是采用阈值报警法，而环境温度的变化对其有着非常重要的影响。实际上,火灾探测器在实际使用过程中所处的环境因素比较复杂，一年四季中，温度变化比较大。大约在－10～40 ℃之间（不同的地区情况不一样），有时在同一幢楼内，有的房间有空调，有的房间没有，温度的差别会造成探测器对同一环境条件作出不同的判断，因此有必要对温度所产生的影响进行补偿。一般而言对环境温度补偿的方法可以采用无源补偿法，即选择合适温度系数的热敏电阻器以补偿由于环境温度变化所带来的漂移，此方法简单应用较多，但是对热敏电阻器的选择要求较高。作者提出一种电压源补偿法，其实质是利用传感器本身的激励源随温度漂移来消除温度变化对探测器带来的影响（包括离子源本身的漂移和放大场效应管的温度漂移），同时又不能改变传感器本身对烟雾的敏感性。
    
    　　本文分析了离子火灾探测器工作的基本原理，温度补偿的基本原理和补偿方法，最后给出实际使用过程中补偿的电路原理图和使用结果进行分析。
    
     1　离子感烟探测器工作的基本原理
    
    　　在探测器的电离室内放一α放射源Am241，其不断地持续放射出α粒子射线，以高速运动撞击空气中的氮、氧等分子，在α粒子的轰击下引起电离，产生大量的带正负电荷的离子，从而使得原来不导电的空气具有导电性，当在电离室两端加上一定的电压后，使得空气中的正负离子向相反的电极移动，形成电离电流。具体电流的大小与电离室本身的几何形状、放射源活度、α粒子能量、电极电压的大小及空气的密度、温度、湿度和气流速度等因素有关。
    
    　　对于一般平行极板电离室其I-U特性曲线可以近似由如下公式来表示［1］：
    
     　(1)式中:U为极间电压（V）；I为极间电流（A）；Is为极间饱和电流（A）；R0为初始电阻（Ω）；b为系数（与空气温度、湿度、气压、气速等相关）。
    
    　　当电离室极间电压小于50V时，可以认为I与U成线性关系，实际的实验结果证明符合上述关系。一般来说，实际所使用的离子感烟探测器供电电压不超过24V，工作在线性区间内，此时可以将电离室看成是符合欧姆定律的电阻。其值为［2］：
    
    　 (2)式中：L为极间距离；S为电极平面面积；μ为电子迁移率；α为复合系数，与烟雾浓度、空气气流速度、空气密度、环境温度、湿度等相关的系数。
    　　当烟雾粒子进入电离室后，由于气熔胶吸附大量的正负离子，使其中和。烟雾越浓，导致离子复合几率加快，从而使空气中电离电流迅速下降，电离室阻抗增加，因此根据R值变化可以感受到烟雾浓度的变化，从而实现对火灾的探测。
    
     2　温度补偿原理
    
    　　实际上，探测器电离室中的电流非常微弱，在一般的空气条件下大约为50 pA，当探测到火灾烟雾的时候，电流相应减小。由于其阻抗非常高，可达1011Ω，其后需要使用输入阻抗高的场效应管放大供后续电路处理。无论是电离室本身，还是场效应管都存在温度漂移，这对准确获取火灾信号带来不利影响。为此作者提出一种自补偿式探测器的设计方法。并以双源双室探测器为例来说明温度补偿原理，其结构如图1所示。
    
    　　双源双室探测器是由两块性能一致的放射源制成互相串联的两个电离室，其中一个电离室开孔，烟雾能够进入电离室，为采样电离室，其阻值与烟雾浓度相关；另一个为近似封闭电离室，为参考电离室，其电阻基本上不变。由于两电阻串联在一起，加在其上的源电压不变，当烟雾进入采样室的时候，导致采样室电离电流减小，电阻增大，而参考电离室电离电流不变，因此加在其上的电压发生改变。可以通过电压的改变判断烟雾浓度的大小，从而达到报警的目的。
    
    　　根据离子感烟探测器工作原理，其输出电压可以用如下关系式来表示：
    
    　(3)U0=AU1=ARλE　(4)式中：A为场效应管放大倍数；Rλ为双室电阻比值；E为供电电压；Rref为标准室阻值；Rs为探测室阻值。
    
    　　从实际的结构分析中可以看出电离室和场效应管存在温度漂移，即Rλ、A这两个变量是与温度相关的函数，因此从公式（4）可以看出输出电压是一与环境温度相关的函数。下面式（4）两边分别对温度T进行求导，得：
    对上式两边分别除以U（U=ARλE），则有：
    
    　　很显然，上式表示各变量随温度变化时与初始值的比值，分别用αU、αE、αA、αR来表示，其物理意义分别表示输出电压温度系数、供电电源|稳压器温度系数、场效应管温度系数、电阻比例温度系数，则上式可变为：
    αU=αE+αA+αR　
    
    　　实际上，供电电源并不随环境温度变化，即αE=0。而要达到对环境温度完全的补偿，即αU=0，必须满足αA+αR=0，也就是说αA=－αR，电离室与场效应管有互为相反的温度系数，一个为正温度系数，另一个必须为负温度系数，很显然这在工艺上很难保证（当然这里可以采取增加热敏电阻器的方法使得二者满足上述关系）。如果取供电电压E，通过一定的电路处理方法使其也随环境温度变化，此时要保证输出电压不随环境温度变化可以通过下式来保证：αE=－(αA+αR)　
    
    　　从式（6）可以看出，只要保证场效应管和电离室随温度变化的共同效应通过对电源电压的控制就可以保证整个探测器不受环境温度影响。供电电源的电压可以采用一半导体热敏电阻器来控制，只需要保证热敏电阻器的温度效应与场效应管和电离室随温度变化的共同效应相反互补即可。一般来说，单个的半导体热敏电阻器的温度效应符合上述要求的可能性极小，那需要对电阻的生产工艺实行严格的控制，因此，符合要求的热敏电阻器的选择比较困难，但是可以通过选择一般温度效应近似的热敏电阻器加上一定的电阻网络来达到上述目的。另外场效应管和电离室随温度变化的共同效应从理论上得出其准确的关系式非常困难，这可以通过试验得出二者与温度的相互关系。实际工作中也是通过上述方法实现对探测的温度补偿。
    
     3　电压源温度漂移自补偿方法
    
    　　图（2）中为一双源双室的离子感烟探测器，其中一个是探测室，一个是参考室，输入电压通过一半导体热敏电阻网络后，其输出的电压成为与温度相关的函数，其关系可以用下式来表示：E0=E（T）　
    　　
     将其对温度求导，得：
    
    　　在电阻网络中使用热敏电阻元件，提供给电离室的基准电压将随温度的变化而发生漂移，当环境温度变化ΔT时，根据式（5）可知，探测器在其它环境因素未发生变化的时候，输出U0将变化ΔU，这时候如果选择的热敏电阻组成的电阻网络保证电离室两端供电电压的变化满足式（6），则ΔU=0，即实现对探测器输出电压的温度漂移完全补偿，保证在一定的温度范围内，传感器的输出温度特性保持一致。
    
     4　实验结果比较和分析
    
    　　图3所示为未采用温度自补偿情况下图2电路中输出电压U随温度变化情况，实验中，将探测器的前置放大器和传感器置于恒温箱中做0～40℃的温度范围内的常规温度实验。从实验结果可以看出，输出电压随环境温度成正温度系数变化。为此按照前面的分析方法设计一温度自补偿电路，保证电阻网络输出的供电电压满足公式（6）。因为图3中未补偿曲线是在一组30个传感器所测定的数据基础上所得，单个传感器的输出曲线基本相似，仅仅是输出电压工作点不同而已（实验中，未对所有传感器进行调零），数据比较典型、可靠。作者在其基础上设计半导体热敏电阻网络使得电离室供电电压输出成负温度系数变化，并在恒温箱中在同样的条件下做常规温度实验，其结果如图3所示。结果表明，此方法十分有效，避免了采用单片机查表法补偿需要占用CPU时间影响数据处理速度，并克服了由于使用环境的差异所造成的采样数据之间的误差。
    
     参考文献
    
    　 1　Bukowski R W,Mulholland G W. Smoke Detector Design and Smoke Properties.NBS Technical Note, 1978
    
    　 2　Scheidweiler A. The Ionization Chamber as Smoke Dependent Resistance.Fire Technology,1976.113
    
    　 3　李学金.气－热敏复合敏感元件温度补偿的理论分析.仪器|仪表技术与传感器，1998(8):7～9