Тепловой пожарный извещатель
Полезная модель относится к технике пожарной сигнализации, а именно - тепловым пожарным извещателям, и может быть использована для обнаружения пожара по повышению температуры окружающей среды в месте установки извещателя. Технический результат - повышение надежности обнаружения пожара на его ранней стадии развития, достигаемый применением термопарного датчика, изготовленного по технологии МЭМС (МикроЭлектроМеханические-Системы), имеющего минимальную тепловую инерционность, и микроконтроллера с гибкой программируемой логикой реагирования на изменение температуры окружающей среды.
Заявляемая полезная модель относится к области пожарной сигнализации, а именно, к тепловым пожарным извещателям, и может быть использована для обнаружения возгорания путем регистрации повышения температуры и скорости ее нарастания в месте установки извещателя и подачи извещения «Пожар» на приемно-контрольный прибор по шлейфу системы пожарной сигнализации, а также сигнализации о пожаре световыми индикаторами.
Известны так называемые максимальные тепловые пожарные извещатели, например, ИП105-2/1 и аналогичные (1). Основное их достоинство - это простота и дешевизна. Недостатком максимальных тепловых извещателей является то, что они обеспечивают выдачу сигнала о пожаре только при достижении температурой окружающей среды заданного порога. Нормы пожарной безопасности (2) не рекомендуют применять максимальные тепловые пожарные извещатели «в помещениях, где температура воздуха при пожаре может не достигнуть температуры срабатывания извещателей или достигнет ее через недопустимо большое время».
По характеру реакции на повышение температуры известны максимально-дифференциальные тепловые пожарные извещатели (3), которые формируют извещение о пожаре при превышении температурой окружающей среды установленного порогового значения, а также при превышении скоростью нарастания температуры окружающей среды установленного порогового значения.
Известен максимально-дифференциальный температурный датчик 60-й серии фирмы Apollo, Англия (4). Температурный датчик содержит два термистора с отрицательным температурным коэффициентом, которые установлены на печатной плате. Один термистор находится в корпусе датчика, он реагирует на изменение температуры воздуха в помещении медленно. Другой выведен наружу корпуса датчика - открытый термистор, он быстрее реагирует на
изменение температуры воздуха. При стабильных условиях оба термистора находятся в термическом равновесии с температурой воздуха и имеют некоторое сопротивление. Если температура воздуха быстро повышается, то увеличивается разница между терморезисторами: сопротивление открытого терморезистора становится меньше, чем сопротивление закрытого терморезистора. Отношение сопротивлений терморезисторов контролирует электронная схема, и, если это отношение превышает пороговый уровень, установленный на заводе, она выдает сигнал о пожаре. Таким образом, датчик реагирует на скорость нарастания температуры воздуха в помещении.
Если температура воздуха повышается медленно, то различие сопротивлений терморезисторов незначительно. Чтобы эта разница стала выше, последовательно с закрытым терморезистором соединяют резистор с высокой температурной стабильностью. Когда отношение суммы сопротивлений закрытого терморезистора и стабильного резистора и сопротивления открытого терморезистора превышает порог, датчик выдает сигнал о пожаре. Сопротивление стабильного резистора подбирают так, чтобы датчик мог перейти в режим тревоги.
Достоинством температурного датчика 60-й серии является то, что он формируют извещение о пожаре не только при превышении температурой окружающей среды установленного порогового значения, но и при превышении скоростью нарастания температуры окружающей среды установленного порогового значения.
Недостатком данного датчика является то, что его эффективность по обнаружению пожара зависит от исходных температурных условий в охраняемом помещении. В соответствии с нормами (3), при создании теплового пожарного извещателя условно нормальной температурой среды принимается 25°С. Фактическая же температура воздуха в помещениях при отсутствии пожара может меняться в широком диапазоне - от минусовых до значительных плюсовых. Это существенно влияет на время срабатывания извещателя при возникновении пожара.
В качестве прототипа принят тепловой пожарный извещатель, описанный в патенте Российской Федерации 2275687, G08B 17/06, опубл. 27.04.2006 г.
Тепловой пожарный извещатель содержит первый и второй термочувствительные элементы, выходами подключенные к первому входу компаратора напряжения, выход которого подключен к формирователю
извещения о пожаре, третий термочувствительный элемент подключен к входу управляемого формирователя опорного напряжения, выход которого подключен ко второму входу компаратора напряжения, причем первый термочувствительный элемент имеет минимальную тепловую инерционность, второй имеет тепловую инерционность большую, чем первый, третий термочувствительный элемент имеет тепловую инерционность большую, чем второй термочувствительный элемент.
Структурная схема извещателя-прототипа представлена на фиг.1.
Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 термочувствительные элементы, управляемый формирователь опорного напряжения 4, компаратор напряжения 5 и формирователь извещения о пожаре 6. Выходы первого 1 и второго 2 термочувствительных элементов подключены к первому входу компаратора напряжения 4, выход третьего термочувствительного элемента 3 подключен к входу управляемого формирователя опорного напряжения 4, выход которого подключен ко второму входу компаратора напряжения 5. Выход компаратора напряжения 5 подключен к формирователю извещения о пожаре 6. Формирователь извещения о пожаре 6 содержит блок памяти, первый выход которого через электронный ключ 9 подключен к световому индикатору 10, а второй выход подключен к входу блока сопряжения 8. Вход блока памяти 7 является входом формирователя извещения о пожаре 6, а выходы блока сопряжения 8 являются выходами формирователя извещения о пожаре 6.
Тепловой извещатель работает следующим образом.
Три термочувствительных элемента, выполненные на терморезисторах, из-за создаваемых различных условий теплопередачи имеют различную постоянную времени изменения сопротивления при изменении температуры (тепловую инерционность). Первый термочувствительный элемент 1 имеет минимальную тепловую инерционность. Второй 2 имеет тепловую инерционность больше, чем первый. Третий термочувствительный элемент 3 имеет тепловую инерционность гораздо больше, чем первый 1 и второй 2 термочувствительные элементы. При эксплуатации извещатель подключается к шлейфу сигнализации приемно-контрольного прибора. При медленном, менее 0,2°С/мин, повышении температуры окружающего воздуха, как правило, не связанного с пожаром, сопротивления терморезисторов первого 1, второго 2 и третьего 3 термочувствительных элементов пропорционально уменьшаются. При этом напряжение на первом измерительном входе компаратора 5 по отношению к
напряжению на втором его входе изменяется незначительно, таким образом, что сохраняется разность напряжений, достаточная для обеспечения помехозащищенности извещателя. Параметры сопротивлений термочувствительных элементов выбраны таким образом, что при дальнейшем росте температуры среды, вызванном медленно развивающимся пожаром, напряжение на первом входе компаратора 5 достигает порогового напряжения на втором его входе. Извещатель срабатывает как максимальный, при этом на выходе компаратора 5 появляется управляющий сигнал, вызывающий формирование блоком 6 в шлейф сигнализации извещения о пожаре. При более быстром росте температуры в помещении, примерно 1-2°С/мин, напряжение на втором входе компаратора 5 из-за большей тепловой инерционности третьего термочувствительного элемента растет незначительно. Поэтому напряжение на первом входе компаратора 5 при меньшей температуре, чем порог срабатывания, достигает напряжения на втором его входе. При этом порог срабатывания будет тем меньше, чем меньше была исходная температура, с которой начался относительно быстрый рост температуры среды. Таким образом, адаптация порогового напряжения на втором входе компаратора обеспечивает уменьшение времени обнаружения пожара при исходной низкой температуре среды, приближая это время к времени обнаружения при высокой исходной температуре в диапазоне рабочих температур.
При быстром росте температуры в помещении, со скоростью более 5°С/мин, что свидетельствует о появлении быстроразвивающегося пожара, напряжение на втором входе компаратора 5 практически не изменяется. Напряжение на первом входе компаратора 5 из-за мало изменяющегося сопротивления второго термочувствительного элемента (из-за его тепловой инерционности гораздо большей, чем первого термочувствительного элемента) возрастает относительно более быстро, чем в предыдущем случае. Поэтому напряжение на первом входе компаратора 5 достигнет напряжения на втором его входе при меньшей температуре, чем в ранее рассмотренном случае, чем обеспечивается и в этом случае уменьшение времени обнаружения пожара.
Таким образом, достоинством извещателя-прототипа является достижение технического результата, выражающегося в стабилизации инерционности извещателя, достигаемой за счет адаптации температуры срабатывания при медленном изменении температуры окружающей среды в отсутствие пожара.
Основной недостаток тепловых извещателей - инерционность срабатывания, связанный с тепловой инерционностью терморезисторов, используемых в качестве термочувствительных элементов, сохраняется и в данном тепловом пожарном извещателе.
Недостатком извещателя-прототипа является использование терморезистора в качестве первого термочувствительного элемента, размещенного в непосредственном контакте с окружающей средой и предназначенного для быстрого реагирования на изменение температуры воздуха. Известно, что постоянная времени, характеризующая тепловую инерционность терморезистора, которая равна времени, в течение которого температура терморезистора изменяется на 63% от разности температур образца и окружающей среды, составляет в лучшем случае несколько секунд (для миниатюрных терморезисторов), а у большинства терморезисторов значительно (на один-два порядка) больше. Такая тепловая инерционность терморезисторов не позволяет минимизировать время обнаружения пожара, а значит, не обеспечивает надежное обнаружение пожара на ранней стадии его развития. Кроме того, указанный выше недостаток извещателя-прототипа обусловлен также использованием компаратора напряжения, работающего по жесткой логике обработки сигнала, т.е. без возможности программирования и гибкого изменения программ обработки параметров, что не позволяет в полной мере учесть температурные условия окружающей среды конкретных помещений.
Технический результат, обеспечиваемый заявляемой полезной моделью, заключается в повышении надежности обнаружения пожара на его ранней стадии развития.
В заявляемом устройстве технический результат достигается тем, что в извещателе, содержащем первый и второй термочувствительные элементы, электронный ключ, световой индикатор, блок сопряжения, первый термочувствительный элемент выполнен в виде термопарного МЭМС-датчика температуры, содержащего термопару и усилитель, в извещатель введен микроконтроллер, выход первого термочувствительного элемента подключен к первому входу микроконтроллера, выход второго термочувствительного элемента подключен ко второму входу микроконтроллера, один выход микроконтроллера подключен через электронный ключ к световому индикатору, а второй выход микроконтроллера подключен к входу блока сопряжения.
Термопарный датчик, изготовленный с применением технологии МЭМС (МикроЭлектроМеханические Системы), позволяет отслеживать быстрые изменения температуры окружающей среды (порядка 0,1 сек). Существующая российская микроэлектронная технология с небольшой модернизацией используется для разработки микросистемной техники (5). Все операции при изготовлении термопарного МЭМС-датчика - стандартные для микроэлектронного производства. Использование в качестве первого термочувствительного элемента, выведенного наружу извещателя, термопарного МЭМС-датчика, обеспечивает достижение заявленного полезной моделью технического результата.
Кроме того, технический результат обеспечивается введением в извещатель вместо компаратора напряжения, работающего по жесткой логике, микроконтроллера. Реализация теплового извещателя на микроконтроллере обладает весомыми преимуществами: гибкая программируемая логика реагирования на изменение температуры воздуха в защищаемом помещении; основные функции по обработке сигналов возлагаются на программное обеспечение микроконтроллера, что позволяет путем небольших изменений в программе совершенствовать эффективность обнаружения возгорания; появившиеся программные возможности позволяют применять более качественные алгоритмы принятия решений о пожаре, максимально приспособленные для каждого конкретного применения, встроенная память. Кроме того, надежность работы заявляемого извещателя повышается в связи с упрощением электронной схемы за счет исключения третьего термочувствительного элемента, формирователя опорного напряжения, блока памяти.
На фиг.2 представлена схема заявляемого теплового пожарного извещателя.
Устройство содержит первый 1 и второй 2 термочувствительные элементы, микроконтроллер 3, электронный ключ 4, световой индикатор 5, блок сопряжения 6. Первый теплочувствительный элемент 1 выполнен в виде термопарного МЭМС-датчика температуры, содержит термопару 7 и усилитель 8. Выход первого термочувствительного элемента 1 подключен к первому входу микроконтроллера 3, выход второго термочувствительного элемента 2 подключен ко второму входу микроконтроллера 3. Один выход микроконтроллера 3 подключен через электронный ключ 4 к световому
индикатору 5, второй выход микроконтроллера 3 подключен к входу блока сопряжения 6.
Заявляемый тепловой пожарный извещатель работает следующим образом.
Сигнал, пропорциональный скорости нарастания температуры воздуха в помещении, измеренной термопарой 7 и усиленный усилителем 8, с выхода первого термочувствительного элемента 1 поступает на первый вход микроконтроллера 3, где преобразуется в двоичный код. На второй вход микроконтроллера 3 поступает сигнал со второго термочувствительного элемента 2, который выполнен на терморезисторе, имеет большую тепловую инерционность, расположен внутри извещателя и используется для определения температурной зоны в соответствии с алгоритмом работы микроконтроллера 3. Данный сигнал также преобразуется в цифровую форму. Микроконтроллер 3 по заданной программе, учитывающей весь возможный диапазон температуры в помещении, анализирует поступающие сигналы, вырабатывает управляющие сигналы (о пожаре) и через свои выходы подает их в систему пожарной сигнализации через блок сопряжения 6 и через электронный ключ 4 на световой индикатор 5.
При нормальных условиях окружающей среды (при отсутствии пожара) и медленном нарастании температуры, менее 0,2°С/мин, вызванном погодными условиям или тепловыделением работающего оборудования, сигнал на первом входе микроконтроллера 3 не превышает заданное программой пороговое значение и микроконтроллер 3 не формирует сигнал о пожаре. При дальнейшем медленном росте температуры и превышении порогового значения тревожное извещение о пожаре формируется.
При быстроразвивающемся пожаре сигнал со второго термочувствительного элемента 2 меняется медленно (минуты). Сигнал первого термочувствительного элемента 1, который формируется малоинерционным термопарным МЭМС-датчиком пропорционально скорости изменения температуры, анализируется микроконтроллером 3, сравнивается с заданной программой и при превышении запрограммированного порога скорости роста температуры, микроконтроллер 3 формирует сигнал о пожаре. Конфигурация (программирование) микроконтроллера позволяет разбить температурные условия в помещениях на зоны, что позволяет адаптировать тепловой пожарный извещатель к особенностям помещений любого функционального назначения.
Таким образом, заявляемый тепловой пожарный извещатель с термопарным МЭМС-датчиком и микроконтроллером позволяет обнаружить пожар в помещении на самой ранней фазе возгорания при любой исходной температуре окружающей среды в помещении.
Работоспособность заявляемого теплового пожарного извещателя подтверждена разработанным образцом.
Источники информации:
1. Себенцов Д.А. Проблема выбора типа пожарного извещателя для вашего объекта. «Алгоритм безопасности», 2005, №5.
2. НПБ 88-2001*. Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования.
3. НПБ 85-2000. Извещатели пожарные тепловые. Технические требования пожарной безопасности. Методы испытаний.
4. Специальный каталог. Серия 60. Apollo Fire Detectors Limited.
5. Щербаков Н.А, Еременко А.Н., Горнев Е.С. и др. Исследование и разработка технологии изготовления изделий микросистемной техники. Микросистемная техника. 2002. №12.
Тепловой пожарный извещатель, содержащий первый и второй термочувствительные элементы, электронный ключ, световой индикатор, блок сопряжения, отличающийся тем, что первый термочувствительный элемент выполнен в виде термопарного МЭМС-датчика температуры, содержащего термопару и усилитель, в извещатель введен микроконтроллер, выход первого термочувствительного элемента подключен к первому входу микроконтроллера, выход второго термочувствительного элемента подключен ко второму входу микроконтроллера, один выход микроконтроллера подключен через электронный ключ к световому индикатору, а второй выход микроконтроллера подключен к входу блока сопряжения.
