基于热电偶的火灾探测装置及探测方法与流程

1.本发明涉及火灾报警技术，尤其涉及用于保护密闭空间的基于热电偶的火灾探测及其探测方法。


背景技术：

2.火灾报警是人们应对突发状况进行有效保护的方式之一，大型车辆底舱和动力舱的火灾探测系统，如基于烟雾的火灾探测响应时间太长、基于火焰光谱的火灾探测系统成本太高、误报率高，其探测窗口极易被污染，需要经常维护保养，例如申请号为200710022228.0的中国发明专利申请，公开了线型多参数复合火灾探测器，包括传感器、微处理器接口、火灾报警控制器，所述传感器为多参数复合传感器，所述多参数复合传感器由独立复合传感器并接而成，所述独立复合传感器包括半导体气敏传感器、红外烟雾传感器、红外热敏传感器、红外火焰传感器，数据采集单元将复合传感器发出的信息进行a/d变换，形成数子量信号，中央处理单元将数子量信号通过数据通讯接口单元输至微处理器接口，地址编码单元固化唯一标识的地址编码作为复合传感器的地址识别码，微处理器接口对各独立复合传感器进行巡检，火灾报警控制器根据微处理器接口输出的相应信息作出判断后控制报警，进行多参数检测，误报率极高，响应速度降低。
3.另外一种基于线式温度传感的火灾探测系统，成本太高，不适合大面积推广，成本方面考虑不实用，例如申请号为2005101346671的中国发明专利申请，公开了复合线型感温火灾探测器及其数据融合的报警方法，由一条线型温度感知元件a、一条线型温度感知元件b、电信号测量装置构成；所述线型温度感知元件a、线型温度感知元件b并行设置在一起；所述的线型温度感知元件a、线型温度感知元件b各具有至少一条探测体和两个电参数信号输出端子，所述电参数信号输出端子分别与电信号测量装置电连接；所述线型温度感知元件a、线型温度感知元件b输出到电信号测量装置的电参数信号不等效，该发明可以消除线型感温探测器的温度感知元件的受热长度对其火灾报警功能的影响，提高探测器的报警准确度，并可有效地减少探测器的误报率，通过两个线型温度传感器，解决单个传感器对于多个影响因素不能进行区分的问题，进而降低误报率，然而，该方案中，两个线型温度传感器所处环境相同，采集数据相同，即使两个线型温度传感器的电参数信号不等效，也较难解决误报的问题。
4.综上，在车辆舰船底舱等狭小隔断、视野受阻、空间不连续、空气流通不畅的环境中，传统的光学火灾探测器、线式火灾传感器、气体火灾探测器等成本极高，难以达到有效的火灾探测。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种能够在狭小空间内检测火灾、相应速度快、误报率低的基于热电偶的火灾探测装置及探测方法。
6.本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于热电偶的火灾探测装置，包括设置
在检测区的热电偶传感器，所述热电偶传感器连接有电压差检测模块，所述电压差检测模块连接有放大电路，所述放大电路连接至模数转换模块，所述模数转换模块连接至控制器，所述控制器连接有通讯模块，
7.所述电压差检测模块用于检测热电偶传感器的正压端与负压端之间的电动势差值；
8.所述放大电路用于将电动势差值放大；
9.所述模数转换模块用于将模拟量转化为控制器能够识别的数字量；
10.所述控制器用于判断电动势差值与预设值之间比较，进而得到判断结果；
11.所述通讯模块用于控制器与上位机之间的数据传输。
12.进一步地，所述热电偶传感器有多个，任一热电偶传感器均连接有电压差检测模块。
13.进一步地，所述电压差检测模块包括电压源，所述电压源与热电偶传感器的负压端连接，所述热电偶的正压端与负压端之间设置有分压电阻。
14.进一步地，所述分压电阻并联有滤波电容，所述电压源连接有指向负压端的二级管。
15.一种基于热电偶的火灾探测方法，包括以下步骤，
16.步骤一，检测热电偶正压端与负压端之间的电动势值，得到vg；
17.步骤二，检测热电偶正压端与负压端之间的电压值，得到vt；
18.步骤三，计算热电偶正压端与负压端之间的电压差值，得到δv，其中δ
19.v＝vt-vg；
20.步骤四，监测δv，当δv值降低速度超过预设值时报警，或者，当δv达到预设值时报警。
21.本发明的有益效果在于：基于热电偶的火灾探测装置，包括设置在检测区的热电偶传感器，所述热电偶传感器连接有电压差检测模块，所述电压差检测模块连接有放大电路，所述放大电路连接至模数转换模块，所述模数转换模块连接至控制器，所述控制器连接有通讯模块，仅需要在检测区设置热电偶传感器，然后检测热电偶传感器的电压差，即能够判断是否发生火灾，结构简单，相应速度快，误报率低。
22.包括以下步骤，步骤一，检测热电偶正压端与负压端之间的电动势值，得到vg；步骤二，检测热电偶正压端与负压端之间的电压值，得到vt；步骤三，计算热电偶正压端与负压端之间的电压差值，得到δv，其中δv＝vt-vg；步骤四，监测δv，当δv值降低速度超过预设值时报警，或者，当δv达到预设值时报警，当热电偶被火焰灼烧时，热电偶两端产生电动势vg，电动势相对高的一端称为正压端端口，电动势相对低的一端称为负压端端口，在没有接热电偶传感器的情况下，3.3v电压源、r141、d1和r111组成的回路中，r111两端的电压为vt＝(3.3-0.7)
×
r111/(r111+r141)，1点电势v1大于g5点电势vg5，为正电压，当接上热电偶传感器时，热电偶电动势为vg，r111两端的实际电压值为δv＝(3.3-0.7)
×
r111/(r111+r141)-vg，平时状态下，vg约等于0伏，r111两端的实际电压值δv为正电压；当热电偶被火焰灼烧时，热电偶两端产生电动势vg，持续灼烧，vg不断增大，r111两端的实际电压δv为负电压，因此火灾发生时，热电偶传感器使电路中产生唯一的负电压，误报率低，响应速度快。
附图说明
23.图1为实施例1控制原理示意图；
24.图2为热电偶与电压差检测模块接线示意图；
25.图3为控制器接线示意图；
26.图4为电源模块接线示意图；
27.图5为通讯模块接线示意图；
28.图6为can通讯单元接线示意图；
29.图7为复位电路接线示意图。
具体实施方式
30.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
31.下面将结合发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.实施例1
33.如图1-7所示，一种基于热电偶的火灾探测装置，包括用于安装在检测区的热电偶传感器，具体选用营口世纪电子仪器有限公司的leh-a型热电偶，阻抗小于10ω，热电偶传感器连接有电压差检测模块，电压差检测模块连接有放大电路，电压差检测模块包括电压源，电压源与热电偶传感器的负压端连接，热电偶的正压端与负压端之间连接有分压电阻，放大电路连接至模数转换模块，模数转换模块连接至控制器，控制器连接有通讯模块。
34.检测方法包括以下步骤，步骤一，检测热电偶正压端与负压端之间的电动势值，得到vg；步骤二，检测热电偶正压端与负压端之间的电压值，得到vt；步骤三，计算热电偶正压端与负压端之间的电压差值，得到δv，其中δv＝vt-vg；步骤四，监测δv，当δv值降低速度超过预设值时报警，或者，当δv达到预设值时报警，具体的，当热电偶被火焰灼烧时，热电偶两端产生电动势vg，电动势相对高的一端称为正压端端口，电动势相对低的一端称为负压端端口，在没有接热电偶传感器的情况下，3.3v电压源、r141、d1和r111组成的回路中，r111两端的电压为vt＝(3.3-0.7)
×
r111/(r111+r141)，1点电势v1大于g5点电势vg5，为正电压，当接上热电偶传感器时，热电偶电动势为vg，r111两端的实际电压值为δv＝(3.3-0.7)
×
r111/(r111+r141)-vg，平时状态下，vg约等于0伏，r111两端的实际电压值δv为正电压；当热电偶被火焰灼烧时，热电偶两端产生电动势vg，持续灼烧，vg不断增大，r111两端的实际电压δv为负电压，因此火灾发生时，热电偶传感器使电路中产生唯一的负电压，误报率低，响应速度快。
35.本实施例提供的基于热电偶的火灾探测装置，连接多个热电偶传感器时，任一热电偶传感器均连接有电压差检测模块，以四个为例，包括4个热电偶传感器、4个电压差检测
模块、4个模数转换模块模块、一个控制器和一个通讯模块，其中控制器选用cpu数据处理单元，包括c103、c104和晶振y1组成的时钟电路，swd、r101和r101接口在线调试接口，u107、r105、c106和stm32f105的usart0接口(pa8、pa9)组成程序下载电路，4个热电偶传感器的输出端分别连接到电压差检测模块的输入端，4个电压差检测模块的输出端连接模数转换电路的4个输入端，模数转换电路的输出端连接到mcu数据处理单元的输入端，mcu数据单元的输出端连接到通讯模块的输入端，当火灾发生时，火焰灼烧热电偶产生电动势，基于热电偶的火灾报警模块，通过电压差检测模块，感知参数发生变化，通过模数转换，把数据传送给mcu数据处理单元，mcu通过算法处理，判断火灾的发生，并通过通讯模块，把火警信号向外传输。
36.具体的数据处理和阈值设定方法如下：
37.基于热电偶的火灾报警模块装配4个热电偶传感器，配套热电偶传感器中任意一个被灼烧而产生的电势至300mv时，基于热电偶的底舱火灾报警模块，判断出300mv对应的ad采样值，确定是火警对应的ad值1900v，此时mcu输出低电平给灭火系统，灭火系统接收此火警信号再通过can总线通讯将火警信号传至驾驶员终端并实施喷瓶灭火。
38.更具体的，基于热电偶的底舱火灾报警模块布置有4个热电偶，4个热电偶正极全部连接至地，负极端分别作为输出端连接至点位温度传感器模块，上图电路是其中一组热电偶的采样电路，相同电路还有3个，采集到的信号通过放大器输出至mcu内置的a/d通道输入口，其中任一个热电偶到报火警电压，mcu都会上传v火警至灭火系统，后灭火系统将火警信息上传至驾驶员终端。
39.将热电偶连接至点位温度传感器模块，灼烧热电偶时其电压会不断上升，当电压升至300mv时，mcu判断为火警发生，其中火警i/o输出低电平，并输出报警信号。
40.d1与r111之间的电压为v0，r141和r131之间的电压为v1，r151和c31之间的电压为v2。
41.其中lm158的放大倍数vi＝1+r12/r10＝1+330/100＝4.3v，其中v0＝0.66v，
42.当v1＝-0.3v时，ad采样值即当灼烧热电偶至电压值300mv时，基于热电偶的火灾报警模块的ad采样值在1921v左右，故目前基于热电偶的底舱火灾报警模块软件中报警阈值为1900v。
43.cpu处理数据判断算法单元，包含模数转换模块及信号采集功能，基于热电偶的火灾报警模块的采集电路，使用stm32f105内置的adc模块，经过电压差检测模块一后的热电偶传感器一的输出信号，连接到采集电路adc的模块的输入脚pc0；经过电压差检测模块二后的热电偶传感器二的输出信号，连接到采集电路的adc模块的输入脚pc1；经过电压差检测模块三后的热电偶传感器三的输出信号，连接到gd32f105内置adc的模块的输入脚pc2；经过电压差检测模块四后的热电偶传感器四的输出信号，连接到stm32f105内置adc的模块的输入脚pc3。
44.cpu处理单元把经过模数转换单元，转换成4路数字信号，分别进行处理当超过阈值1900时，发出报警信号。
45.还可以检测ad采样值的变化速率，当变化速率达到预设值时，发出报警信号。
46.本身实施例中，还包括电源电路模块，基于热电偶的火灾报警模块采用5v供电，u5、r21、c23和c24组成数字3.3v电源，u6、r22、c27和c28组成模拟3.3v电源，磁珠fb1、fb2、把不同的电源地连接在一起，可以提高精度和抗干扰性能。
47.本实施例的通讯单元，基于热电偶的火灾报警模块通过can通讯输出和波形输出，但是不限于这两种输出，还可以通过串口、spi、485总线、以太网等输出爆燃信号。
48.基于热电偶的火灾报警模块通的can通讯单元由c36、c37、c35和u121组成，u12采用ti公司的sn65hvd1040aqdrq1，u12的管脚1和4连接到cpu处理数据判断算法单元的gd32f105的管脚pa12和pa11，u12的管脚2和3连接到数字3.3v供电电源，u1的管脚6、7、8连接到接口2对外输出火警信息。
49.基于热电偶的火灾报警模块通的频率信号波形输出单元，由r7、r9、r11、r13和u2组成，信号p0.1连接到cpu处理数据判断算法单元的stm32f105的管脚pa2，信号alarm-out连接到对外接口，平时状态下输出5v高电平，当火警发生时，低电平。
50.本实施例提供的基于热电偶的火灾探测装置还包括硬件复位电路，硬件复位电路确保基于热电偶的火灾报警模块的稳定系，它是由u7、r49、r50、r51和c7组成，正常状态下，基于热电偶的火灾报警模块的程序正常运行，mcu单元，通过p1.0输出高低电平，频率给喂狗信号(u7的管脚4，wdi)，u7的管脚1，nrest输出高电平，cpu不复位。当程序出现异常时，u7的管脚1，nrest输出低电平，使mcu复位，基于热电偶的火灾报警模块恢复正常。
51.综上，本实施例提供的基于热电偶的火灾探测装置及探测方法，采用热电偶探测火灾的方法，当火灾发生时，通过采集热电偶参数的值，根据参数变化判断出火灾发生，防误报性能高，基于热电偶的底舱火灾报警模块，热电偶采用负电压连接方案，在整个系统中，当火焰发生时，热电偶才会产生一处负电压，而其他干扰都是正电压信号，因此本发明具有明显抗干扰防误报优势。
52.本实施例提供的基于热电偶的火灾探测装置，热电偶传感器与电压差检测电路对应的阈值设置，满足经验公式(1)和(2)
53.检测阈值《(v
cc-vd)
×
(r111/(r111+r141))
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(1)
54.检测阈值》ad变化量
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30％
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(2)
55.其中，v
cc
为分压电路电源电压，vd为二极管电压，r111为连接而电偶的电阻，即能够实现防误报的检测，通用性强。
56.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。