1.1濁度煙霧探測

Ahlquistand Charlson (1967) 描繪了一個大型的比濁計（Nephelometer）和它在城市環境中對於空氣污染監控的用途，特別是在記錄煙霧指標方面。這個裝置在美國被改良並開始進行商業化生產。 在1970年，（澳洲）聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）使用比濁計深入到森林大火中進行研究。它被安裝在一架小飛機上，並主要是在澳洲西部伯斯的Karri森林大火中穿梭於煙霧中。在這些飛行任務中，通過使用絕對濾網來測量在每一次飛行中所檢測的煙霧質量，聯邦科學與工業研究組織收集了用於校正比濁計的資料。他們把能見度範圍及遮蔽度和這些資料相互關聯起來。煙霧密度的範圍是呈線性關係的，約 20 到 240 微克/m 3。這分別以一種雙曲線關係與一個 4 到 40 公里的能見度距離相符合。 後來，當時的澳洲郵政局(APO), 請聯邦科學與工業研究組織説明調查可以避免由於火災而導致停電的技術。澳洲郵政局提供了一個測試地點，以便安裝每一種火災探測設備, 為電話交換房、計算機房間和電纜隧道找到最適當的防火技術。在火中易燃的材料是那些由於電流或發熱的底盤而過度受熱的各類規格的絕緣電纜。 聯邦科學與工業研究組織建議比濁計應該在澳洲郵政局的火災測試中作為基點。它被安裝在機械通風系統的回氣管裡面，來檢測煙霧水準, 並利用圖表記錄器輸出顯示器顯示監測結果。 在對好幾個星期的測試做結論時,發現市場上並沒有可以防止電話設備受到重大破壞的火災探測技術。當時已有的探測器的報警都相當晚，在到了當火勢已經變得幾乎無法控制的劇烈燃燒階段才發出警報。 然而顯示出巨大前景的一項技術是比濁計本身。它可達到的靈敏度相當於 0.1%/m的遮蔽度，並且在還只是這一數值的十分之一時，就會提出一些有用的指示。這就使它的靈敏度可能比當時市場上的煙霧探測器要高出幾百倍。由於這點，它能在火災的早期過度受熱階段發現隱患, 在火苗燃起之前有充分的時間來採取預防措施。 比濁計是不適合作為一種用於安裝的, 自動的火災探測器的，因為它的費用高，長期使用會產生信號飄移，強度不夠，缺乏適當的警報輸出器(只有一個圖表記錄器)。 在澳洲郵政局的一個工作室裡，煙霧探測器原型被研製出來，它有了可調整探測閥值並可啟動警報系統, 而且採用了雙室設計，目的是為了抵消靈敏度的偏差以及來自於外界的污染。他們然後開始尋找這種比濁計煙霧探測器產品的商業發展機會。 在那時，對於初期火災探測的廣泛概念是建立在對於使用一種對通風管的空氣進行監測的超敏感煙霧探測器的基礎上的。然而，仍需要對此加以完善而使其成為一個高靈敏度、高可靠度及低成本的實用的工具，而且還需要開發出用來收集和向探測器輸送煙霧的高效、可靠且經濟的方法，這樣這種高度的靈敏度才能夠被適當地用於多種環境中。

1.2 最初的發展

之後，澳洲郵政局建議當時澳洲最大的電子學製造業者AWA來進行探測器的商業化。AWA 著手對此進行了調查並向澳洲最大的火警公司Wormalds諮詢。然它顯然很擔心由於如此敏感的設備而導致的高的錯誤警報率。它的這一擔心也使AWA放棄了這一計畫 。 三年過去了，澳洲郵政局由於該計畫未取得任何進步而感到失望。在 1977 年，他們為該技術的發展進行了投標, 並且提供 $60,000 研發補助金,對於最初60件產品的總訂單, 以及與雙腔技術有關的專利權的使用權。 在五個申請者中, IEI 有限公司 (當時有50個雇員) 被認為規模太小。Fire Fighting公司具備很好的防火業知識和在市場上的銷售管道, 但卻缺乏可靠的研發能力。澳洲英國宇航公司有了良好的研發能力但是卻缺乏很好的防火方面的知識。因此APO鼓勵Fire Fighting公司和澳洲英國宇航公司共同呈上一個合作方案，最終這個建議被採納了。 然而，澳洲郵政局和聯邦科學與工業研究組織中的許多人卻對此決定感覺不滿，擔心會重複AWA 的錯誤。他們寧願由一家小且靈活的公司來接受這個挑戰。然而只能給IEI提供道義上的支援，卻無法提供財務的支援或訂單, 也不能給於他們雙室專利權使用權。 兩年之後，Fire Fighting公司和澳洲英國宇航公司研製出的探測器以 $7000 的價格上市，而且60件產品被遞送到澳洲郵政局。這一產品有很高的品質 (符合航空標準)，但是IEI研製的第一個模型已經在六個月以前上市,其價格還不到該產品的一半。 雖然澳洲郵政局和國家電信總部由於受到合約的約束而有五年之久沒有購買 IEI 產品, 但是幾乎所有的最初 60件Fire Fighting公司和澳洲英國宇航公司的產品從未被安裝過而且再也沒有更進一步的訂購及遞送活動。維多利亞州立電力委員會本來已經計畫要製造他們自己版本的火災探測器的，正是它提供給IEI的支持使IEI取得了各種規模初始市場。除了在維多利亞區裡的一些地方之外，後來電信公司 Telecom 也廣泛的採用了這一系統。最後澳洲電信公司Telecom/Telstra 變成了澳洲的最大的該產品的單一使用者。 為了提供必要的可信度、具有必要的特徵、實現小型化而且減少用於出口市場的費用,在 1982年IEI開始徹底地重新設計該探測器,並整合了許多在澳洲及各發達國家得到批准的專利發明。(科爾[注], 1983 a- g) 在1983 之後IEI 公司首先向當時態度非常懷疑和保守的消防行業提倡了吸氣式煙霧探測方式的全球市場化。銷售持續化以及技術功能上的改進使得該公司在市場上的領頭地位得以保持，並且在 1998 中期之前為該探測系統取得了超過 50,000個銷售地點.自從1990年和1993年，這一成功也刺激了直接的競爭者 (英國的前 IEI 英經銷商或職員), 生產出了其它品牌的吸氣式煙霧探測器並且獲得了20-25% 的市場佔有率。

1.3 吸氣式煙霧探測器

吸氣式煙霧探測器這種新的概念（正如IEI所開發的）包括一個主動式抽氣系統和一個連續的空氣樣品輸送系統。這一個空氣樣品忠實地反映出在整個被指定的面積可達到2000平方米的防火區域中的空氣品質。 IEI 探測器是一種通常保有它的異常高的靈敏度的比濁計 (空氣污染監視器)，它的靈敏度典型地可以比傳統的煙霧探測器高出幾百倍。一個真正的維持這種高度的敏感性的比濁計，可以探測到在火勢發展的任何階段中各類型的易燃的材料所產生全部範圍的煙霧顆粒大小或種類。由於兩個目的我們需要如此高的敏感性： (a) 用來探測到由於材料的過度受熱(分解或熱分解)而產生的氣體狀粒子或者噴霧劑的最初痕跡，以及 (b) 克服在防火區域裡面由含量較多的 " 新鮮的 " 空氣所引起的對" 煙 " 的稀釋作用。 一個現代的吸氣式煙霧探測器中包括一些遍佈於天花板（外部或內部）的小口徑的管道。在每一根管道上相隔適當的間隔鑽有取樣孔 (管-牆壁的孔口)。空氣經由所有的取樣口不斷地被吸入到整個管道系統中，並流向一個位於中心的使用一個空氣吸泵 (抽氣泵) 的探測器。 管道系統和取樣孔的位置通常會受到當地防火安全法規和像是澳洲電訊 TPH1525(1995) 和澳洲AS1603.8.(1996)標準的控制。典型地，管道和取樣孔會根據傳統式的定點探測器應該被安裝的位置，以一個方形的網格式樣展開。 在發生火災的防線比較高的區域中，這個網格的間距就會被壓縮以更加密集地覆蓋整個區域。在圖 1.1種舉例說明了這種方形網格。(一個天花板設計圖) 吸氣式煙霧探測器的一個特別的優點是它擁有對於煙霧集合高度的探測——業就是說，來自一個來源的煙可能立刻進入幾個取樣孔,藉此增加煙的集中度 (減少稀釋) 而且發出一個較早的火警。在傳統的定點探測器中不會產生煙霧集合的現象。 現在取樣管道系統可以以各式各樣的結構來安裝。如果管道系統是位於天花板高度水準, 有時管道會佈滿天花板表面。在由於美觀的需要而要求管道隱秘安裝時，可以利用一些較靈活的毛細管來把管道與一個（穿透天花板的）吸煙頭聯結。這個吸煙頭比傳統的定點式探測器要小得多，而且通常會被安裝得難以用肉眼發覺。

1.4 繼續研究的需求

直到最近幾年為止，吸氣式煙霧探測器體系的管道系統的設計都是在與生產者的緊密合作下進行的。如今，由於每年都有大量的安裝工作（到1998年中為止安裝了5萬個系統），而且隨著防火工業的更大的經營自助化，數量日益增長的系統設計者、安裝者和維護者是否具有確保系統可靠性的能力這一問題得到了越來越多的關注。這個問題特別重要因為在大多數使用吸氣式煙霧探測裝置的地方，只採用了這一種積極的防火措施。 為了滿足這樣的擔心，也就有了更大的壓力來提供一種得到認可的系統設計工具（軟體）。AS1608.3-1996標準要求對設計工具做出評估，作為新產品獲得批准的一個基本部分。在澳洲在發展這樣的標準方面引領世界時，美國的Factory Mutual 和Underwriters Laboratories 現在也有了相似的要求。 所有的這些標準都會在在世界範圍內達成的，用來代替規範性守則的建築性能化規定（Performance BasedBuilding Codes）中有所解釋。這對於建築系統的設計的要求起到了作用。最終的結果將會是更加地強調特別用於各個建築物中的風險管理技術，用以取得整套價格經濟合理的防火及滅火技術。

1.5 探測器

科爾 (1983 a-f, 1991a, 1992a&v, 1995a&b) 的發明在澳洲（並延伸至全世界）獲得11項專利。這些發明改進了專門用於工業用途的比濁計的概念，影響了它的可靠性，微型化，流量動力損失，固態探測，信號處理，控制，顯示，電池待機功能，強度，成本減少和大量生產等各個方面。這個技術發展也使第一個使用的可靠和價格可負擔的吸氣式探測系統誕生了，這種系統還適合於出口。 儘管比濁計本身本來就被認為是一種VESDA(煙霧探測極早報警設備)，然而最終這一說法逐漸包含了整套吸氣式煙霧探測系統中所有的空氣取樣管道、吸氣泵、灰塵篩檢程式、配套硬體，以及控制器。（不包括火警顯示板或者監控台在內）

1.6吸氣技術

為了描述當時所設計出的各種空氣抽樣裝置，科爾(1982)作出了一系列的圖示。圖1.6顯示了一個地板架空的電腦房，裡面包括一個獨立的用來監控流入的“新鮮”空氣品質的參考探測器（它的測量值會被從另外一個探測器的測量值中扣除）。圖1.7顯示了在一個回風通道中運用的三個探測器，圖1.8顯示了設備支架中的運用（試用管道上的取樣孔來抽取任何所產生的煙霧的樣本），圖1.9顯示了運用小的靈活的管道延伸到賓館房間的空調中，用來對在房間中迴圈的空氣進行取樣。 科爾(1983 g)發表了對於系統設計的指南，詳細地講述了VESDA Mk2探測器類型中管道的長度、管道的直徑、管道的數量、取樣孔的大小和間距對於煙霧傳輸時間的影響，並且發現多根管道在一個特定的防火區範圍內提供更快的反應時間。

科爾確定了理想的管道直徑為21毫米，理想的取樣孔直徑為2毫米，實際管道長度最大為100米。他展示了兩根這樣的管道可以同時用於位於中心位置的探測器的兩邊，以覆蓋200米長度的管道，而四根50米長的管子可以被用來覆蓋大面積的天花板空間或地板空隙。在符合相應規定的防火區中，連接在一台探測器上的管道的總長度不得超過200米。 接下來，科爾(1991 a) 更加詳細的描述了多種管道系統的特點（如圖1.1所示）。這樣做的最終目的是可以從頭來設計一個有效的，對於早期煙霧探測很理想的吸氣設備。他還創建了平均氣流流速（提供吸氣設備設計必需的氣流）和核心氣流流速（影響煙霧的傳輸時間）之間的關係—一個對於系統類比具有核心重要性的比率。 科爾的研究也直接引起了（用於VESDA Mk3中的）新的渦流式離心氣泵吸氣設備的設計和生產，這一設備的效率是最初的軸流式風扇效率的10倍，這大大的超越了（基於文字材料的）對於這樣低特性速度的氣泵的期望值。在實際應用中，煙霧在100米長的管道中傳輸的時間從五分鐘減至了一分鐘，而電力輸入卻從5w減少到了2w。這不需要經驗設計原形階段的檢驗，僅僅通過理論設計方法就可以實現。 在1995年IEI與VisionSystem有限公司合併後，這個新型的吸氣設備被合併入了一個稱為VESDA LaserPlus 的新型探測器中。早先VESDA模型的全光譜氙氣燈被固態紅外鐳射光源所代替，這樣就改善了設備的維護但是對小粒子的敏感性卻減小了。 最近由科爾獨立進行的研究主要致力於開發維持使用固態光源的高度可靠性，同時還具有對於煙霧顆粒大小的區分並且對於常見的火情做出更好的反應的能力的新產品。他的這個新產品就是“MONITAIR”.

1.7 數學體系模型

Taylor (1984) 是已知的最早對於在一個吸氣式煙霧探測系統中通過單根管道的氣流做出數學模型的研究者。基於VESDA Mk2 氣泵的特徵和已有的理論原則，他寫了一個電腦程式來確定在管道上所有取樣點處的壓強和氣流流速。 Taylor測出了七種不同的管道安裝方法的結果，然而卻沒有任何一種經過實驗測試。在內徑為30mm的樣管中，他發現對於有11個取樣孔的長達100米的管道，最大氣體傳送時間是237秒。儘管根據今天的標準，這樣長時間的輸送延遲不能接受，卻可以顯示出如果有並不是很好的50%的取樣孔氣流的（不）平衡度，Taylor的管道佈局可能就可以達到較令人滿意的69秒鐘的傳輸時間。 Natarianni (1988) 使用了一種不同的方法。為了是傳輸時間最小化，Notarianni在系統設計中的最基本目標是要達到很好的氣流平衡。她聲稱，由於吸氣壓力的逐漸減小，為了達到均衡的氣流，離探測器越遠管道上的取樣孔的直徑就應該越大。 Natarianni寫了一個叫做“SNIFF”的電腦程式來詳細規定取樣孔的大小和位置。不足的是，她的方法假設在一個真正的安裝環境中能夠精確地控制每一個取樣孔的氣流流速。而在現實中，取樣孔的大小是至關重要的，因為當壓差既定時，氣流流速會受到直徑這一第四力的影響而變化。比方說，一個規格為2mm的取樣孔的直徑可能會（由於粗糙的鑽孔技術而）產生0.2mm或者10%的偏差，這就會導致在氣流流量上+46%的偏差。儘管有這樣大的臨界狀態，Notarianni還是每隔1/64″（即5/64″的20%）的間隔規定了取樣孔的規格大小。這可能會導致超過-50%或+100的偏差，（二進位數字量級）這也就使她並不能實現氣流完全平衡的目的，並且極大地降低了她的模型的效用。 在開發出新的吸氣設備設計方案的同時，科爾(1991)還模擬了不同的吸氣式管道系統模式。基於控制管道中氣流量的理論，並且通過試驗的補充，他寫了一個叫做“ASPIRE”的電腦程式。科爾把一個系統的優值定義為： * 煙霧傳輸時間（煙霧從一個最不利的位置傳輸到探測器的最大延遲時間）， * 平衡（描述了由於取樣孔氣流流速的不等而產生的在整個系統中煙霧靈敏度的不同，也表示了在最不利的位置的最差值），以及， * 氣流所占比例（即包括尾端管在內所有取樣孔的氣流量占管道內全部氣流量的比例）。由於注意到尾端管也對煙霧傳輸時間有著很大的影響，這最後一個優值被用來避免相對於某一典型取樣孔在尾端管處煙霧靈敏度過高。 在不同的規定中，儘管在高風險的區域中通常規定傳輸時間不得超過60秒，但要求在通常的使用中時間不得超過90秒。為了在整個防火區域中實現合理一致的煙霧敏感性，平衡度和比例都分別被要求不得低於70%（最好80%）。 應該注意的是，為了簡單起見在某一管道上所有的取樣孔通常都採用同樣的大小規格，但是也可以作為選擇，平衡度可以被設置為100%這樣每一個取樣孔所需達到的直徑就會被計算並顯示出來。這就要求在鑽孔尺寸上良好的遞增量，然而這通常是無法實現的。因此作為一種讓步，也可以在軟體中（根據可實現的鑽孔規格）來設定在取樣孔直徑上的較適合的增幅，並以此來判斷所達到的平衡度的合理性。 然後，在取得這個軟體的所有靈活性後，基於他在他的博士研究中發現的新理論，科爾(1999)又編寫了一個叫做“ASSIST”的更加精確的吸氣式管道系統的電腦模型。這個模型比起他的前一個方法（1991）的精確度高了三倍，也避免了根據深入經驗而加以修正的要求。這一模型還對於在模型結果中所包含的複雜的流體力學動態過程有了更好的理解，並且提供了更高的可靠性。 注：科爾全名為馬丁 T.科爾（Martin T. Cole，博士，頭銜包括電機電子工程師、機械工程師、前電氣和電子工程師協會及廣播電視工程師聯合會成員、澳洲技術科學與工程院院士、澳洲工程師協會榮譽會員、澳洲特許專業工程師）是全世界聞名的現代吸氣式煙霧探測技術的創始人。從最初創立IEI公司開發的較早期的技術，到如今Monitair吸氣式煙霧探測技術採用第三代技術（3G），由於多年以來為消防行業所作的貢獻和他在煙霧探測技術上世界知名的成就，科爾博士一直以來獲得諸多的榮譽。

本文翻譯自http://www.coleindesign.com/products_article.html