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        線型光束濾光片的校準(zhǔn)

        2021-10-11 09:30:18何日梅韋秋葉范曉輝盧敏萍
        化學(xué)分析計(jì)量 2021年9期

        何日梅,韋秋葉,范曉輝,盧敏萍

        (廣西壯族自治區(qū)計(jì)量檢測(cè)研究院,南寧 530200)

        線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器是光電感煙探測(cè)器的一種,對(duì)燃燒或熱解產(chǎn)生的液體或固體顆粒產(chǎn)生響應(yīng),依靠煙霧顆粒對(duì)光的吸收或散射原理,對(duì)火災(zāi)進(jìn)行探測(cè),可分為對(duì)射式和反射式[1-3]。線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器具有保護(hù)面積大、安裝位置高和抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),因此被廣泛應(yīng)用于各種大型場(chǎng)所中[4-6]。GB 50116—2013 《自動(dòng)火災(zāi)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.1 條款列出了該類探測(cè)器的適用場(chǎng)所:大型庫(kù)房、博物館、檔案館、飛機(jī)庫(kù)等多為無(wú)遮擋的大空間場(chǎng)所,發(fā)電廠、變配電站、古建筑、文物保護(hù)建筑的廳堂館也適合安裝這種類型的探測(cè)器[7]。廣大研究者從不同角度對(duì)探測(cè)器的性能進(jìn)行研究,蔣廓等[8]采用火災(zāi)動(dòng)力學(xué)模擬器(FDS)分析布置高度、距離火源水平距離、光路長(zhǎng)度等對(duì)探測(cè)器響應(yīng)性能的影響;李宏文等[9]研究線型紅外光束感煙探測(cè)器光路長(zhǎng)度對(duì)報(bào)警時(shí)間的影響,并提出不同靈敏度設(shè)置下,發(fā)射器與接收器之間的合理安裝間距;李玉寶[10]探討了以紅外光束感煙探測(cè)器為核心的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。由此可見,線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器的廣泛應(yīng)用。

        線型光束濾光片作為探測(cè)器配套濾光片,主要用于模擬火災(zāi)條件下,煙霧遮擋探測(cè)器后探測(cè)器的響應(yīng)情況,利用濾光片減少紅外發(fā)光器發(fā)射到紅外接收器的光束量來(lái)判定火災(zāi),用以驗(yàn)證火災(zāi)探測(cè)器的性能,是保證建筑消防安全的重要手段。GB 14003—2005 《線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器》附錄A中規(guī)定了配套的濾光片,應(yīng)使用減光值為0.9~10 dB 的濾光片檢測(cè)探測(cè)器響應(yīng)閾值[11]。GB 50166—2019 《火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定,用減光值為0.9 dB 的濾光片遮擋光路,探測(cè)器不應(yīng)該發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào);用減光值為1~10 dB 的濾光片遮擋光路,探測(cè)器應(yīng)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)[7]。探測(cè)器廠家一般配備減光值分別為0.4 dB和10 dB或者0.9 dB 和10 dB 的配套濾光片。濾光片的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)探測(cè)器的性能驗(yàn)證尤為重要,有研究者對(duì)濾光片的檢測(cè)校準(zhǔn)進(jìn)行了研究[5-7]??仔∑降龋?3]規(guī)定了線型光束濾光片透射比和重復(fù)性的校準(zhǔn)方法,并給出了減光值示值誤差的參考計(jì)量要求和不確定度,但未提及正反差別和年變化量等校準(zhǔn)方法;趙雯[14]提出了減光值誤差、均勻性和正反差別的校準(zhǔn)方法和參考計(jì)量指標(biāo),但未提出年變化量校準(zhǔn)方法和計(jì)量指標(biāo);王舵[15]分析了減光值的計(jì)算方法,但未提出計(jì)量性能的參考計(jì)量指標(biāo)。目前,線型光束濾光片尚無(wú)相關(guān)國(guó)家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范。

        為提出較為全面的校準(zhǔn)方法和計(jì)量指標(biāo)要求,向市場(chǎng)提供檢測(cè)校準(zhǔn)依據(jù),促進(jìn)濾光片技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一,筆者在前人研究的基礎(chǔ)上,建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。選擇減光值小于1.0 dB 和等于10 dB 的濾光片,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)[16-17],測(cè)量不同廠家濾光片減光值數(shù)據(jù),給出較為全面的參考計(jì)量特性,并進(jìn)行不確定度分析。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器與試劑

        紫外、可見、近紅外分光光度計(jì):PE lambada 950 型,波長(zhǎng)范圍為175~3 300 nm,透射比范圍為0~100 %,波長(zhǎng)最大允許誤差不超過(guò)±0.5 nm,透射比最大允許誤差不超過(guò)±0.003,雜散輻射水平低于0.002,珀金埃爾默股份有限公司。

        線型光束濾光片:0.4、10 dB,北京朋利馳科技有限公司。

        1.2 線性光束濾光片工作原理

        線型光束濾光片主要用于線型光束感煙火災(zāi)探測(cè)器性能的檢測(cè)。其工作原理是利用濾光片減少紅外發(fā)射器發(fā)射到接收器的光束光量,探測(cè)器檢測(cè)到光束量減少時(shí),發(fā)生警報(bào)。濾光片模擬火災(zāi)發(fā)生時(shí),物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧粒子對(duì)紅外線光束吸收或散射,減少光束發(fā)射器發(fā)射到光電接收器的光束量。反射式、對(duì)射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖分別見圖1、圖2。

        圖1 反射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖

        圖2 對(duì)射式紅外光束感煙探測(cè)器原理圖

        1.3 校準(zhǔn)條件

        環(huán)境溫度為(23±5) ℃,相對(duì)濕度不大于65%,工作環(huán)境中無(wú)引起濾光片或其膜層腐蝕的氣體。

        1.4 校準(zhǔn)范圍

        線型光束感煙探測(cè)器光束發(fā)射器主要由波長(zhǎng)為800 nm 的紅外發(fā)射管組成[13],其透射率視具體實(shí)驗(yàn)要求而定。校準(zhǔn)時(shí)測(cè)定濾光片在規(guī)定波長(zhǎng)下的透射比,判定其是否符合使用要求。對(duì)各廠家濾光片進(jìn)行800~2 500 nm 全波段掃描,對(duì)圖譜進(jìn)行分析,將校準(zhǔn)減光值的波長(zhǎng)范圍設(shè)置為800~1 100 nm,將測(cè)得的透射比換算為減光值。

        1.5 校準(zhǔn)項(xiàng)目

        校準(zhǔn)項(xiàng)目包括減光值、均勻性、正反差別、年變化量。

        1.6 校準(zhǔn)方法

        1.6.1 減光值的測(cè)量

        將分光光度計(jì)開機(jī)預(yù)熱后,根據(jù)濾光片的用途設(shè)置測(cè)量的波長(zhǎng)范圍,光譜間隔取5 nm,積分時(shí)間為1 s,以空氣作為參比測(cè)量濾光片的透射比曲線,在800~1 100 nm 波長(zhǎng)范圍內(nèi)的減光值A(chǔ)按公式(1)計(jì)算[11,14]。

        式中:A——線型光束濾光片的減光值,dB;

        τ——特征波段范圍內(nèi)的平均透射比值。

        重復(fù)上述條件掃描3 次,計(jì)算特征波段減光值的平均值,該平均值即為特征波段減光值。

        GB 14003—2005 未對(duì)濾光片透射比做具體要求,因此,對(duì)濾光片分別給出工作范圍的透射比平均值和減光值,由客戶根據(jù)校準(zhǔn)值進(jìn)行使用(不同減光值的濾光片可用于探測(cè)器的日常檢測(cè),因此該項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目?jī)H給出校準(zhǔn)值,未給出計(jì)量特性要求)。

        1.6.2 均勻性與正反差別

        在濾光片中心點(diǎn)及距中心點(diǎn)上下各1 cm 處,按減光值的測(cè)量方法,計(jì)算3 處減光值的差值,取其絕對(duì)值,其中最大值為均勻性。在濾光片正面中心與從背面中心點(diǎn)射入時(shí),按減光值的測(cè)量方法,計(jì)算兩個(gè)減光值的差值的絕對(duì)值即為正反差別。均勻性與正反差別的計(jì)量特性要求如表1 所示。

        1.6.3 年變化量

        計(jì)算同一濾光片兩次校準(zhǔn)周期即12 個(gè)月內(nèi)對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍800~1 100 nm 下減光值差值的絕對(duì)值,計(jì)量特性要求如表1 所示。

        表1 計(jì)量特性要求 dB

        2 結(jié)果與討論

        選擇不同廠家的線型光束濾光片進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知,大部分廠家均勻性、正反差別和年變化量在本校準(zhǔn)方法提出的計(jì)量性能要求范圍內(nèi),表明所提出的要求較為合理。但部分濾光片減光值參數(shù)與標(biāo)稱值相差較遠(yuǎn),這需要廠家不斷的提升減光值的準(zhǔn)確性,在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格把關(guān)。

        表2 不同廠家線型光束濾光片校準(zhǔn)結(jié)果 dB

        3 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

        3.1 數(shù)學(xué)模型

        根據(jù)不確定度傳播率[18],對(duì)公式(1)求導(dǎo),得靈敏系數(shù):

        3.2 不確定度來(lái)源識(shí)別

        標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源如下:

        (1)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

        (2)光譜光度計(jì)波長(zhǎng)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

        (3)光譜光度計(jì)光譜透射比誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

        (4)樣品均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

        (5)樣品正反差別引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

        不確定度來(lái)源示意圖如圖3 所示。

        圖3 不確定度來(lái)源示意圖

        3.3 測(cè)量不確定度評(píng)定

        以標(biāo)稱值為0.4 dB 的線型光束濾光片為例評(píng)定不確定度。

        3.3.1 各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

        (1)測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(A)。儀器開機(jī)預(yù)熱后,對(duì)送檢的線型光束濾光片(AH-410型,北京朋利馳科技有限公司)進(jìn)行10 次重復(fù)測(cè)量,測(cè)得減光值分別為0.41、0.39、0.41、0.39、0.39、0.39、0.39、0.40、0.39、0.41 dB,采用A 類評(píng)定,根據(jù)貝塞爾公式[19],計(jì)算單次測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.009 5。在通常情況下,濾光片校準(zhǔn)次數(shù)不低于2 次[20],本試驗(yàn)校準(zhǔn)3 次,取測(cè)量結(jié)果的平均值作為測(cè)量結(jié)果,則測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量:

        3.3.2 不確定度分量及合成不確定度

        標(biāo)稱值為10 dB的線型光束濾光片按照上述0.4 dB 線型光束濾光片方法進(jìn)行不確定度評(píng)定,各不確定度分量和合成不確定度匯總?cè)绫? 所示。

        表3 各不確定度分量及合成不確定度(800~1 100 nm) dB

        3.4 擴(kuò)展不確定度

        由于各校準(zhǔn)單位裝置和人員、環(huán)境條件的差別,校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度各不相同,按上述方法進(jìn)行分析,通過(guò)測(cè)試估算的擴(kuò)展不確定度如表4 所示。

        表4 擴(kuò)展不確定度(800~1 100 nm) dB

        4 結(jié)語(yǔ)

        建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。規(guī)定了減光值、均勻性、正反差別和年變化量的校準(zhǔn)方法,提出了均勻性、正反差別和年變化量的計(jì)量特性要求,開展測(cè)量不確定度的評(píng)定,為市場(chǎng)提供檢測(cè)校準(zhǔn)依據(jù)為日后線型光束濾光片國(guó)家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供數(shù)據(jù)支持。

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