Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации

Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемый способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов.

Известны способы обнаружения пожара с помощью пожарных извещателей, реагирующих на действие открытого пламени или дыма и вырабатывающих сигнал тревоги (Г.М.Зуйков. Инспектору госпожарнадзора о пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1988). К ним относятся световые, реагирующие на световое или инфракрасное излучение очага пожара; тепловые, реагирующие на повышение температуры при пожаре; и дымовые, реагирующие на повышение концентрации частиц дыма, извещатели.

Однако эти извещатели недостаточно эффективны, так как при их использовании сигнал тревоги формируется сравнительно поздно, когда пожар уже достаточно сильно развит. Кроме того, эти извещатели не исключают возможность ложного срабатывания при повышении температуры или запылении помещения, не связанных с пожаром.

Время реакции пожарного извещателя на начало пожара может быть уменьшено при использовании газовых пожарных извещателей, реагирующих на газы, образующиеся на начальной стадии тления горючих материалов, которые могут свободно выходить из замкнутых полостей, в которых произошло возгорание.

Известны способы (V.M.Aroutiounian, Z.N.Adamian, H.V.Abovian. Thin film smoke sensuy element, The Sixth Yntemational Meeting on Chemical Sensors, 1996, Yuli 22-25, Gaitherburg, Md, USA, p.103) распознавания пожара с помощью одного неселективного газавого датчика, реагирующего на смесь газов, которые могут образоваться при тлении горючих материалов. Применение таких датчиков ограничено высокой вероятностью появления ложных сигналов таких извещателей при воздействии на них, например, паров растворителей.

Известен способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации (DE, С2, 3.123.279), заключающийся в том, что непрерывно измеряют текущее значение концентрации окиси углерода, выделяющейся при тлении горючих материалов, сравнивают его с заданным допустимым значением указанной концентрации и при совпадении этих значений формируют сигнал тревоги.

Однако в указанных технических решениях для формирования сигнала тревоги используют только те значения концентрации окиси углерода, которые превышают среднее значение ее концентрации в данном помещении. Кроме того, при формировании сигнала тревоги принимаются в расчет только те отклонения концентрации СО от среднего значения, частота которых лежит в интервале, характерном для пожара. Они не исключают возможности формирования сигнала тревоги при накоплении СО в результате работы печей, курения, а также в других случаях повышенного выделения СО, не связанных с пожаром.

Известны также способы и устройства раннего обнаружения пожара (патенты РФ №№2.207.631, 2.110.094, 2.078.377, 2.177.179, 2.256.228, 2.256.231; патенты США №№5.049.861, 5.079.422; патент ЕР №0.940.679; патент WO №9.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с.292-295 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ раннего обнаружения пожара» (патент РФ №2.256.228, G08B 17/10, 2001), который и выбран в качестве прототипа.

Указанный способ обеспечивает уменьшение вероятности получения ложного сигнала на начальной стадии возгорания. Это достигается за счет одновременного измерения и анализа концентраций по меньшей мере двух газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов и являющихся наиболее характерными для начальной стадии пожара, и формировании сигнала тревоги при совпадении значений соотношений концентраций газовых компонентов с заданными.

Устройство, реализующее известный способ, содержит по меньшей мере два датчика концентраций газовых компонентов, выделяющихся при тлении, микропроцессор и формирователь сигнала тревоги.

Недостатками известного способа являются ограниченная зона мониторинга объектов пожарной безопасности в районах, где отсутствуют проводные и оптоволоконные линии связи, а также несвоевременная передача сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и на диспетчерский пункт наблюдения.

Технической задачей изобретения является расширение зоны мониторинга объекта в пожарной безопасности и своевременная передача сигналов тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что измеряют текущие значения концентрации в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящих из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпаднии указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, отличается от ближайшего аналага тем, что формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте w_пр/2, удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте w_пр, сдвигают его по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду.

Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом n датчиков концентрации в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательного соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношения текущих значений концентрации и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено на объекте пожарной безопасности формирователем модулирующего кода, задающим генератором, фазовым манипулятором, усилителем мощности и передающей антенной, причем к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе приемной антенной, усилителем высокой частоты, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, делителем фазы на два, двумя узкополостными фильтрами, удвоителем фазы, фазовращателем на 90°, фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, делитель фазы на два, первый узкополостный фильтр, удвоитель фазы, второй узкополостный фильтр, фазовращатель на 90°, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и блок регистрации.

Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении хлопка, изображены на фиг.1. Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении древесины, изображены на фиг.2. Структурная схема устройства для раннего обнаружения пожара представлена на фиг.3. Структурная схема устройства для приема сложного сигнала с фазовой манипуляцией, содержащего сведения об объектах, где возникает пожар, представлен на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств, показаны на фиг.5.

Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых предназначен для измерения концентрации одного газового компонента и содержит датчик в виде, например, газового сенсора 1.i(i=1, 2,..., n), к которому подключены последовательно соединенные согласующий усилитель 2.i и аналого-цифровой преобразователь 3.i. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 3.i подсоединен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 световых и звуковых сигналов тревоги, снабженного световым 6 и звуковым 7 сигнализаторами, при этом выход 8 формирователя 5 соединен с центральным концентратором пожарной охраны (не показан). Количество каналов зависит от количества газовых компонентов, концентрации которых измеряют одновременно на начальной стадии возгорания. Ко второму выходу микропроцессора 4 последовательно подключены формирователь 9 модулирующего кода, фазовый манипулятор 11, второй вход которого через задающий генератор 10 соединен с выходом микропроцессора 4, усилитель 12 мощности и передающая антенна 13.

Устройство для приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, усилитель 18 промежуточной частоты, делитель 19 фазы на два, первый узкополостный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополостный фильтр 22, фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом усилителя 18 промежуточной частоты, и блок 25 регистрации.

Устройство для приема сложных ФМн-сигналов устанавливается на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе.

Устройство для раннего обнаружения пожара может быть реализовано на известных элементах отечественного и зарубежного производства, таких как полупроводниковые сенсоры типа ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieger» (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа Р1С12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Deviees» (каталог 1999 г) и индикаторы разных марок.

Предполагаемый способ реализуется следующим образом.

Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (Н₂), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО₂) и ароматические углеводороды (С_хН_y), причем концентрации этих газов изменяются во времени.

Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов в первые несколько минут после начала тления хлопка и древесины показаны свойственно на фиг.1 и 2, где К - текущее значение концентрации газового компонента в воздухе в %.

Анализ графиков показывает, что в течение первых минут тления идет резкое газовыделение одновременно нескольких газов, а именно водорода, ароматических углеводородов, окиси углерода и двуокиси углерода.

Значения концентраций выделяемых газов для разных горючих материалов могут быть различны, но выделение окиси углерода всегда сопровождается выделением водорода, ароматических углеводородов и двуокиси углерода. При этом значения соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах.

Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношения концентраций в воздухе ароматических углеводородов, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждой текущий момент времени составляют:

.

При этом значения соотношения концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат в пределах 1:2,4-5,6 в каждый текущий момент времени.

Указанные выше соотношения концентраций основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношение текущих значений концентраций этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.

Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1-1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (Н₂, СО, CO₂ и С_хН_y), изменяет свою проводимость при изменении концентрации этого компонента в воздухе, в результате чего на выходе соответстующего сенсора 1.1-1.n появляется электрический сигнал, величина которого соответствует определенной концентрации этого газового компонента в воздухе. Затем этот сигнал усиливают и преобразуют с помощью соответствующего преобразователя 3.1.-3.n в цифровой сигнал.

Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например, через 0,1-1 минуту опрашивает сенсоры 1.1-1.n, сопоставляет между собой поступившие с них текущие значения сигналов (соответствующие текущим значениям концентраций газовых компонентов в воздухе) и полученные соотношения текущих значений сигналов сравнивает с заданными соотношениями значений сигналов, записанными ранее и хранящимися в его памяти. При совпадении соотношений текущих значений сигналов с заданными соотношениями значений на формирователи 5 и 9 поступает сигналы, формирующие на них сигналы тревоги: световой, звуковой, а также сигнал, подаваемый с выхода 8 на центральный концентратор пожарной охраны, и модулирующий код M(t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности, соответственно.

Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй - третий минутах после начала искусственного вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала. Например.

На первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающем содержанием хлопка, соотношение было:

на третьей минуте:

Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:

а на третьей минуте:

При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:

на третьей минуте:

Соотношение на первой минуте и на третьей минуте.

При совпадении соотношения текущих значений концентрации основных газовых компонентов с заданными соотношениями в микропроцессоре 4 формируется сигнал, который с его второго выхода поступает на вход задающего генератора 10 и включает его.

Задающий генератор 10 формирует высокочастотное колебание (фиг.5,а)

U_c(t)=V_c·cos(w_ct+ϕ_c), 0≤t≤T_c,

где V_c, W_c, ϕ_c, Т_c, - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на второй вход фазового манипулятора 11, на первый вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 9 (фиг.5,б), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности.

На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.5,в)

U₁(t)=V_c·cos[w_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤T_c,

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5,б), причем ϕ_k(t)=const при kτ_э<t<{k+1)τ_э и может изменяться скачком при t>kτ_э т.е. на границах между элементарными посылками (k=1,2,...,N);

τ_э,N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(N·τ_э=Т_с), который после усиления в усилителе 12 мощности поступает в антенну 13, излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 и через усилитель 15 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16

U_г(t)=V_г·cos(w_гt+ϕ_г).

На выходе смесителя 17 образуются напряжение комбинационных частот. Усилителем 18 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.5,г)

,

где ;

w_пр=w_с-w_г - промежуточная частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_г,

которое поступает на информационный вход фазового детектора 24. Необходимым условием синхронного детектирования ФМн-сигнала U_пр(t) является наличие опорного напряжения, имеющего ту же промежуточную частоту w_пр и постоянную начальную фазу ϕ_пр. В предлагаемом устройстве опорное напряжение выделяется непосредственно из самого ФМн-сигнала. Для этого напряжение U_пр(t) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты подается на вход делителя 19 фазы на два.

Следует отметить, что манипулируемую составляющую фазы ϕ_k(t) в напряжении U_пр(t), можно представить в следующем виде

ϕ_k(t)=Δϕ·E(t)

где Δϕ=90°

E(t) - функция, определяющая закон изменения фазы.

Для упрощения будем полагать, что функция E(t) периодическая с периодом Т, равным удвоенному значению длительность τ_э элементарных посылок

Т=2 τ_э, т.е.

.

Разложение функции E(t) в ряд Фурье имеет следующий вид

.

На выходе делителя 19 фазы на два будет иметь место следующее напряжение

При бинарной фазовой манипуляции, т.е. при ϕ_k(t)={0,π}, Δϕ=90°, ФМн-сигнал U_пр(t) не содержит в своем спектре колебания промежуточной частоты w_пр, так как cos 90°=0.

На выходе делителя 19 фазы на два в спектре полученного напряжения U₂(t) появляется составляющая промежуточной частоты w_пр, так как cos(Δϕ/2)=cos45°=0.707, и напряжение будет иметь следующий вид (фиг.5,д) U₃(t)=V₂·cosΔϕ/2·sin(w_пр/2t+ϕ_пр/2)=0.707·V₂·sin(w_пр/2t+ϕ_пр/2)=V₃sin(w_пр/2t+ϕ_пр/2),

где V₃=0.707·V₂.

Это напряжение выделяется узкополостным фильтром 20 и поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение.

U₄(t)=V₄·sin(w_прt+ϕ_пр), 0≤t≤T_с,

где ,

которое выделяется узкополостным фильтром 22 и поступает на вход фазовращателя 23 на 90°. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.5,е)

U₅(t)=V₄·sin(w_прt+ϕ_пр+90°)=V₄·cos(w_прt+ϕ_пр), 0≤t≤T_c,

которое используется в качестве опорного напряжения и подается на опорный вход фазового детектора 24, на информационный вход которого подается ФМн-сигнал U_пр(t) (фиг.5,г) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты.

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5,ж).

U_н(t)=V_н·cosϕ_k(t), 0≤t≤T_c,

где

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5,б), которое фиксируется блоком 25 регистрации.

Таким образом, предлагаемый способ по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и своевременную передачу сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения.

Это достигается использованием радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью T_c сигнала , тогда как ширина спектра Δf_c ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э, его элементарных посылок , т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_c входного сигнала (Δf_c/Δf₂=N).

Следовательно, в результате деления фазы на два и удвоения фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов. Кроме того, за счет узкополосной фильтрации удается отфильтровать значительную часть шумов и помех и тем самым повысить чувствительность приемника.

В широко известной схеме А.А.Пистолькорса, которая также обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования применяемого ФМн-сигнала, непосредственно из самого сигнала, присутствует «обратная работа». Это объясняется тем, что в данной схеме за счет удвоителя частоты фазовая манипуляция стирается полностью, т.е. сигнал разрушается. Поэтому сформированное опорное напряжение из разрушенного сигнала не имеет жесткой когерентности с ФМн-сигналом, отчего и происходит «обратная работа», т.е. сигнал низкочастотный на выходе фазового детектора воспринимаются в «негативе»: нули вместо единиц и наоборот.

В предложенном приемнике ФМн-сигнал поступает на делитель фазы, а не на удвоитель частоты. Поэтому ФМн-сигнал не разрушается, а только уменьшается его девиация фазы, в результате чего появляется колебание промежуточной частоты, жестко синфазное с ФМн-сигналом. Последнее и исключает «обратную работу», и повышает достоверность выделения низкочастотного напряжения, пропорционального модуляционному коду M(t).

Одновременное контролирование нескольких газов повышает надежность обнаружения пожара именно на ранних стадиях тления и возгорания. При этом исключается возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов по любой из причин, не соответствующей процессу возгорания. Последнее возможно, например, в результате утечки газов из баллонов, емкостей или трубопроводов, находящихся внутри или вблизи охраняемых помещений.

1. Способ раннего обнаружения пожара, основанный на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, отличающийся тем, что формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание по частоте w_пр/2, удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте w_пр, сдвигают его по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду.

2. Устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к фомирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, отличающееся тем, что оно снабжено на объекте пожарной безопасности формирователем модулирующего кода, задающим генератором, фазовым манипулятором, усилителем мощности и передающей антенной, причем к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе приемной антенной, усилителем высокой частоты, гетеродином, смесителем, усилителем промежуточной частоты, делителем фазы на два, двумя узкополостными фильтрами, удвоителем фазы, фазовращателем на 90°, фазовым детектором и блоком регистрации, причем к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель промежуточной частоты, делитель фазы на два, первый узкополостный фильтр, удвоитель фазы, второй узкополостный фильтр, фазовращатель на 90°, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и блок регистрации.