Раздел: Тема: Системы оповещения Автор: Игорь Неплохов, эксперт, кандидат технических наук
Двухдиапазонные технологии в пожарных извещателях
Достаточно давно выпускаются двухдиапазонные пожарные извещатели пламени. Часто используется инфракрасный и ультрафиолетовый диапазон электромагнитного излучения. Высокую эффективность обеспечивают ИК-извещатели пламени, работающие в одном диапазоне, но на нескольких длинах волн. Сенсор на одной длине волны является рабочим, а еще два, разнесенные по частоте, – опорные, используются для компенсации воздействий, не связанных с пожаром. В дымовых извещателях двухдиапазонные технологии начали использоваться значительно позже, первые исследования в этой области были начаты после появления в 1993 г. серийных образцов синих светодиодов в Японии. В настоящее время уже несколько зарубежных компаний выпускают двухдиапазонные дымовые точечные извещатели. А в этом году на MIPS-2012 был представлен линейный двухдиапазонный и к тому же многолучевой дымовой пожарный извещатель OSID, разработанный в Австралии. Отечественные двухдиапазонные дымовые извещатели пока не выпускаются, ни точечные, ни линейные. Дымовые извещатели обеспечивают достаточно высокий уровень пожарной безопасности и во многих случаях могут защитить жизнь людей и значительно снизить ущерб от пожара, обнаруживая пожароопасную ситуацию на ранней стадии развития очага при сравнительно небольшой его площади, до заполнения большей части помещения дымом. Однако хорошо известны и недостатки оптико-электронных дымовых извещателей: ложные срабатывания от пыли, пара, аэрозолей и т. д. Другой недостаток традиционных оптико-электронных извещателей – это низкая чувствительность по дымам от открытых очагов, значительно более низкая по сравнению с радиоизотопными извещателями. Так вот использование двухдиапазонных технологий в дымовых пожарных извещателях позволяет избавиться от этих недостатков и максимально повысить достоверность сигнала «пожар». Свойства дымов различного типа Дым состоит из видимых и невидимых частиц различного размера, его структура зависит от вида очага, от условий окружающей среды и меняется со временем, присутствует так называемый эффект старения дыма. Считается, что размер частиц дыма варьируется, начиная от 0,1 микрона в диаметре, преобладающих в горящем пламени, до частиц, которые могут быть крупнее на порядок и более, что является характеристикой очага в беспламенной стадии горения [1]. Фактический размер частиц зависит от совокупности многих переменных, например, от физического состава очага, концентрации кислорода в воздухе, характера газообмена и от других параметров окружающей среды, особенно от влажности. Более того, размер частиц дыма не постоянен во времени. По мере охлаждения газа частицы размером меньше микрона соединяются друг с другом, а самые крупные частицы выпадают в осадок. Другими словами, при удалении дыма от очага в распределении размера частиц наблюдается относительное снижение числа частиц минимального размера. Частицы пара, бытовых аэрозолей и пыли имеют значительно большие размеры. Все дымовые пожарные извещатели в зависимости от реализованного физического процесса обнаружения, схемотехнических и конструктивных особенностей имеют не одинаковую чувствительность к дымам различных типов. Радиоизотопные детекторы, определяющие наличие дыма посредством ионизации молекул воздуха в дымовой камере, имеют линейную, обратно пропорциональную зависимость чувствительности от размера частиц. Они имеют максимальную чувствительность к дымам из мелких, невидимых частиц диаметром порядка 10 нм. Величина ионизационного тока зависит от влажности воздуха, что определило необходимость использования двухкамерной конструкций извещателя – одна камера работает, а вторая компенсирует влияние изменения влажности. Объясняется это тем, что с уменьшением размера частиц при их постоянной массе увеличивается их суммарная поверхность, на которой происходит рекомбинация ионов, и, соответственно, на большую величину снижается ионизационный ток, протекающий через камеру. Оптико-электронные детекторы, использующие технологию рассеянного света [2], с оптопарой инфракрасного диапазона имеют максимальную чувствительность по дымам, размер частиц которых соизмерим с длиной волны порядка 0,5–1 микрон. Линейные оптико-электронные детекторы, использующие технологию затухания света при прохождении через контролируемую зону, реагируют как на видимые, так и на невидимые частицы. Их чувствительность более стабильна по отношению к изменению размеров частиц дыма, но так же, как у точечных извещателей, имеется выраженный максимум. На рис. 1 показан относительный уровень чувствительности этих трех способов дымоопределения в зависимости от диаметра частиц при условии постоянства их суммарной массы [3].
Рис. 1. Относительная чувствительность детекторов в зависимости от размера частиц дыма. Способы детектирования: А – рассеяние света, В – затухание света, С – ионизационный В тлеющих очагах углеродосодержащих материалов в основном выделяются серые дымы с размером частиц, соизмеримым с 1 мкм, при горении пластмасс и горючих жидкостей образуются прозрачные дымы с меньшими размерами частиц. Достаточно широко спектр дымов определен тестовыми очагами по европейским стандартам EN 54-7, EN 54-12, EN 54-20, использующимися для сертификационных испытаний точечных, линейных и аспирационных дымовых детекторов. Испытания пожарных извещателей по тестовым очагам введены в новую редакцию ГОСТ Р 53325 «Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний». Дымовые извещатели испытывают по четырем тестовым очагам: TF2 – тление древесины, TF3 – тление хлопка, TF4 – горение пенополиуретана, TF5 – горение n-гептана, комбинированные извещатели могут дополнительно испытываться по очагу TF1 – горение дерева. Очаг располагается на полу в центре помещения площадью 70 м 2 и высотой 4 м, а извещатели располагаются на потолке, на расстоянии 3 м от очага в горизонтальной проекции. Дым тлеющего очага TF2 состоит в основном из крупных частиц, дым от очага TF3 – тление хлопка со свечением – состоит из невидимых частиц малого размера и видимых частиц крупного размера примерно в равной пропорции. Дымы очагов TF1, TF4 и TF5 с открытым пламенем в основном состоят из частиц меньшего размера, и, кроме того, наблюдается значительное выделение тепла. Синий светодиод в дымовом извещателе В дымовых оптико-электронных извещателях используется оптопара – светодиод и фотодиод, расположенные в дымовой камере таким образом, что при отсутствии дыма на фотодиод попадает минимальный уровень сигнала. При появлении дыма сигнал фотодиода резко увеличивается за счет рассеяния излучения светодиода на частицах дыма (рис. 2).
Рис. 2. Два светодиода – один фотодиод Уровень и диаграмма рассеянного сигнала в основном зависят от соотношения размеров частиц и длины волны света. Рассеяние света на частицах размером меньше 1/10 длины волны, молекулярное рассеяние впервые было изучено и описано Рэлеем [1]. По закону Рэлея интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Рассеяние аксиально-симметрично относительно направления распространения падающей волны. При неполяризованной волне максимумы рассеяния, направленные вперед и назад, одинаковы по величине, минимальное рассеяние наблюдается в перпендикулярном направлении. Теорию рассеяния при больших размерах частиц развил немецкий физик Густав Ми в 1908 г. Этот вид рассеяния, названный по его имени «рассеянием Ми», существенно отличается от рэлеевского рассеяния. С увеличением относительного размера частиц появляется асимметрия рассеяния, увеличивается рассеяние, направленное вперед. При дальнейшем увеличении относительных размеров частиц происходит существенное изменение диаграммы рассеяния. Она еще больше вытягивается вперед и становится изрезанной, появляются боковые максимумы. В дымовых оптических извещателях традиционно используются светодиоды инфракрасного диапазона с длинной волны порядка 950 нм. Длина волны синего светодиода равна 470 нм, т. е. в два раза меньше длины волны инфракрасного светодиода. Соответственно, его использование в оптопаре позволяет обнаруживать более мелкие частицы дыма, которые эффективно обнаруживаются радиоизотопными извещателями. Для синего светодиода кривая чувствительности на графике рис. 1 сместится, и максимум будет располагаться уже в области частиц порядка 235 нм (0,235 микрона). Кроме того, анализируя соотношение уровней рассеянного света в инфракрасном и в синем диапазоне, стало возможным оценить размеры частиц в диапазоне примерно от 0,2 до 1 микрона. Испытания по частицам полистирола различного размера показали, что интенсивность рассеяния синего света мелкими частицами размером менее 0,2 микрона в 15 раз выше интенсивности рассеяния инфракрасного света (рис. 3). С увеличением размера частиц это отношение уменьшается и при размере частиц около 1 микрона стабилизируется на минимальном уровне [4].
Рис. 3. Отношение сигналов синий/инфракрасный а зависимости от диаметра частиц Результаты экспериментальных исследований На рис. 4 приведены распределения значений отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазоне при проведении тестов с очагами TF1, TF2, TF3, TF4, TF5, а также при воздействии пара, пыли и бытовых аэрозолей, которые являются основными причинами ложных тревог у оптико-электронных извещателей. В зависимости от типа очага были получены различные значения отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазоне, однако в наихудшем случае при очаге TF2 (– тление дерева ) минимальное отношение около 2, а при воздействии частиц, не связанных с пожаром, отношение примерно равно 1, и эти распределения не пересекаются. Данные результаты показывают возможность идентификации вида воздействия в двухдиапазонном оптическом извещателе. Порог для разделения дымов и помеховых воздействий был установлен на уровне 1,4: при превышении отношения сигналов величины 1,4 извещатель формирует сигнал «пожар», при отношениях менее 1,4 – сигнал «пожар» не формируется.
Рис. 4. Статистика отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазонах при тестовых очагах TF1 – TF5 и при воздействии пара, пыли и бытовой аэрозоли Дальнейшим развитием алгоритма обработки результатов измерений в двухдиапазонном дымовом извещателе стало использование канала синего диапазона для выравнивания чувствительности по очагам с открытым пламенем и по тлеющим очагам, введение дополнительного порога для выявления очагов с открытым пламенем, для получения чувствительности на уровне ионизационного извещателя. Для этого были введены еще два порога на уровне 2, 8 и 4. Из распределений отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазоне приведенных на рис. 4 следует, что в диапазону отношения от 2, 8 до 4 соответствуют дымы от очагов TF4, TF5 (горения пенополиуретана и n-гептана), а отношение, превышающее 4, соответствует дыму от очага TF1 (открытое горение дерева) и очага TF3 (тление хлопка со свечением). Для компенсации снижения чувствительности дымового извещателя по дымам с мелкими частицами при отношении в пределах 2,8 – 4 чувствительность увеличивается в 1,5 раза, а при отношении более 4 – увеличивается в 2 раза. Двухдиапазонная технология в линейном извещателе Далее было логично ожидать появления линейного дымового извещателя с использованием двухдиапазонной технологии. И действительно, такой извещатель не так давно был разработан. Он имеет аббревиатуру OSID (open area smoke imaging detection), что определяет основную область его применения – защита открытых пространств. Действительно, OSID вполне может претендовать на решение этой проблемы, так как он использует принцип распределения лучей в пространстве – максимально до 7 лучей протяженностью до 120 м (рис. 5). Принцип действия этого пожарного извещателя основывается на использовании приемника со CMOS-камерой, благодаря чему обеспечивается разрешение сигналов от нескольких источников излучения в ультрафиолетовом (длина волны ~400 нм) и в инфракрасном (длина волны ~850 нм) диапазоне.
Рис. 5 Пример двухъярусного размещения излучателей На мониторе источники излучения отображаются в виде ярко-зеленых точек с указанием их номеров на фоне панорамы защищаемого объекта (рис. 6).
Рис. 6 Отображение излучателей на экране монитора Для контроля состояния среды используются импульсные сигналы в инфракрасном диапазоне и в ультрафиолетовом диапазоне. Сигналы различных излучателей имеют различную кодировку, по которой приемник определяет установленные адреса излучателей и получает информацию о состоянии элементов питания каждого излучателя. Использование двухдиапазонных сигналов позволило исключить ложные тревоги от пыли, пара, аэрозолей, птиц, насекомых, а также при частичной блокировке луча различными механизмами. Принцип действия этого извещателя также основан на теории рассеяния Густава Ми, вид диаграммы рассеяния зависит от отношения диаметра частиц к длине волны проходящего через эту среду света, уровень рассеяния в направлении распространения света или затухание света также зависит от соотношения размера частиц и длины волны света. Диаметр частиц дыма от практически всех очагов значительно меньше диаметра частиц пыли, пара, аэрозолей и т. д. Затухание сигнала в ультрафиолетовом диапазоне при прохождении через дым значительно больше по сравнению с затуханием сигнала в инфракрасном диапазоне (рис. 7а), при прохождении через среду с более крупными частицами, например, через пыль сигналы ослабляются примерно одинаково (рис 7б). Эти зависимости были использованы при разработке принципа действия двухчастотного линейного дымового извещателя OSID. Конечно измерение чувствительности и тестирование извещателя OSID при помощи стандартных «черно-белых» аттенюаторов невозможно. При их использовании обеспечивается примерно равное ослабление сигналов инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, что будет классифицироваться, как появление пыли и может привести к формированию сигнала «неисправность» при уровнях затухания, соответствующих блокировке лучей. Тестирование извещателя OSID производится оранжевым фильтром, который вносит затухание только в коротковолновой части диапазона, снижая уровень ультрафиолетового сигнала, а инфракрасный сигнал проходит через него практически без ослабления. Аналогичный эффект использовался в фотоаппаратах с черно-белой фотопленкой: для выделения белых облаков на синем небе на объектив фотоаппарата устанавливался желтый или оранжевый светофильтр.
Рис. 7 Ослабление УФ и ИК сигналов при прохождении а) через дым; б)через пыль; в) при блокировке сигналов Причем извещатель OSID устранил не только ложные срабатывания, которыми характеризуются традиционные линейные дымовые пожарные извещатели при появлении в зоне луча пыли, пара или аэрозолей, а также при перекрытии луча кран-балкой, птицами, насекомыми, но и устранил другие их недостатки. Узкие диаграммы излучателя и приемника определяют необходимость выполнения трудоемкой процедуры юстировки и возможность их установки только на капитальные конструкции здания. А извещатель OSID благодаря широким диаграммам излучателей и приемника полностью лишен и этих недостатков. Проведения трудоемкой юстировки не требуется, достаточно лишь повернуть оптические системы излучателей в направлении приемника. Оригинальная конструкция крепления оптических элементов позволяют легко сориентировать их друг на друга (рис. 8), а небольшие габариты излучателей и приемника (198 × 130 × 96 мм) – разместить их в любом помещении. Излучатели выпускаются с питанием от батарей, емкости которых хватает на 5 лет. Это значительно упрощает их размещение и снижает трудоемкость монтажа. Также выпускается проводная версия излучателей с питанием от источника напряжением 24 В.
Рис. 8 Конструкция крепления оптической системы приемника и излучателя В зависимости от размеров защищаемого объекта могут использоваться различные модификации приемника. Максимальный угол обзора составляет 900 (по горизонтали 800 и по вертикали 480 ), что позволяет устанавливать излучатели в широком секторе в несколько ярусов, обеспечивая контроль объема защищаемой зоны, максимальная дальность при этом составляет 68 м. При использовании приемника с углом обзора 450 (по горизонтали 380 и по вертикали 190 ) обеспечивается дальность до 120 м. Максимально можно контролировать площадь протяженностью 150 м, при этом используется приемник с углом обзора 100 (по горизонтали 70 и по вертикали 40 ), и только один излучатель (табл. 1). Использование таких извещателей позволяет защитить высокое помещение на нескольких уровнях с учетом эффекта стратификации. Таблица 1. Параметры различных конфигураций
*Дальность до центральной части сектора обзора приемника В традиционные системы двухчастотный линейный дымовой извещатель OSID включается при помощи релейных выходов с формированием сигналов «пожар» и «неисправность» по каждому излучателю. Значительно в большем объеме могут быть реализованы возможности раннего обнаружения очага загорания в адресно-аналоговом режиме, при включении в петлю адресно-аналогового прибора, например Zettler ZX. В этой конфигурации обеспечивается формирование предварительных тревог на минимальных уровнях задымления с объемным отображением состояния защищаемой зоны в 3D в реальном масштабе времени. Литература Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. Пер. с англ. К. Г. Бомштейна; под ред. Ю. А. Кошмарова, В. Е. Макарова. М.: Стройиздат, 1990. 424 с. с ил. Матвеев А. Н. Оптика. М.: Высш. шк., 1985. 351 с. с ил. Richard W. Bukowski. Smoke Measurements In Largeand Small Scale Fire Testing. NBS IR78-1502. Dual Optical Detectors. Fire Safety Engineering. May 2005. Неплохов И. Г. Развитие дымовых извещателей. Журнал «Грани безопасности» № 5 (53), 2008.
Внимание! Копирование материалов, размещенных на данном сайте допускается только со ссылкой на ресурс http://www.tzmagazine.ru Рады сообщить нашим читателям, что теперь нашем сайте работает модуль обратной связи. Нам важна ваша оценка наших публикаций! Также вы можете задавать свои вопросы.Наши авторы обязательно ответят на них. Ждем ваших оценок, вопросов и комментариев! Комментарии:

Добавить комментарий или задать вопрос

Правила комментирования статей

Версия для печати

Средняя оценка этой статьи: 0  (голосов: 0)
Ваша оценка: