封闭空间消防灭火实验中的温度场测量系统

　　计算机房、宾馆房间、轮船机舱的火灾都属于封闭空间火灾,而细水雾灭火、超细干粉灭火技术是用于该领域的新兴消防科技,近年来快速发展。采用空间温度场测量方法,通过全尺寸的空间灭火实验来研究这些灭火技术并评价其灭火效果是一个重要的研究手段[1]。在细水雾灭火实验的初始自由燃烧阶段,常用的燃烧物模型———2B油盆火焰的温度会在30 s以内从室温迅速上升并超过800℃;而在细水雾释放灭火阶段,火焰通常在15 s以内被抑制到一个非常小的规模,温度从最高温快速降至150℃左右,然后通常在3min内被扑灭。温度变化剧烈、迅速并有较大的波动是细水雾灭火过程的重要特点,这对用于该过程的空间温度场采集系统提出两个要求:测温范围大(0~1 100℃);对温度变化响应迅速灵敏。

　　1　温度采集系统方案设计

　　1. 1　温度传感器的选择

　　选用铠装K型(镍铬-镍硅)热电偶用于火场空间的温度测量。K型热电偶测量范围宽(-200~1 372℃),准确度高;坚固,价格便宜,是目前工业温度测量中应用最多的,可在氧化和中性气体中测温,能够满足火灾实验测量的要求。但是热电偶输出热电势很小,需要放大;输出非线性,需要冷端补偿。

　　1. 2　信号采集

　　1. 2. 1　巡检显示控制仪

　　当使用热电偶或者热电阻作为温度传感器的时候,巡检显示控制仪(巡检仪)可以方便实现对信号的转换和温度值的输出。但是巡检仪扫描速率慢,每秒只能处理1~2个通道, 16路巡检一圈需要近10 s,不能满足灭火过程的快速测温需要。

　　1. 2. 2　PCI21710HG数据采集卡+PCLD28710端子板

　　PCI21710HG插入式数据采集卡是一款PCI总线的高增益多功能数据采集卡,包括5种常用的A/D、D/A转换,数字量输入、输出,计数器/定时器功能。此外,它有一个可以用于热电偶温度测量的独特功能———高增益,可以直接把热电偶输出的微弱热电势信号放大至1 000倍变成标准的-5~+5 V电压信号。同时,配套的PCLD28710端子板提供了热电偶测量必需的冷端补偿(CJC, cold junction compensation)功能,这简化了系统设计并为现场线路连接提供方便。不过CJC电路会占用板卡模拟输入的第0通道(采集卡通道号为0~15,共16个通道)。系统的硬件总体设计如图1所示。

　　1. 3　数据显示及后处理

　　常用的面向对象的可视化编程语言VisualBasic、VisualC++等可以用于数据采集过程。但相对图形语言编程来说,面向对象的语言编程难度较大,开发周期较长且不易进行更改、升级和维护。而图形编程语言在这方面具有明显的优势,它具有简单易学,开发周期短,开发出的应用程序界面美观,功能强大等优点。本研究采用了图形语言编程的LabVIEW进行火场温度数据的采集、处理、实时显示和保存。软件流程图如图2所示。为了方便调试和扩展,在软件设计中采用模块化的方式来编写程序。LabVIEW是一个类似于C、BASIC语言的程序开发环境,使用简单易懂的G图形化编程语言在流程图中创建源程序,而不是使用基于文本的语言来产生源程序代码。LabVIEW整合了GPIB、VXI、RS2232和RS2485等硬件通信功能,内置了TCP/IP、ActiveX等标准软件库函数,还包含为数据采集和仪器控制特别设计的函数库和开发工具。