пожарный извещатель

Формула изобретения

1. Пожарный извещатель, содержащий компаратор, источник излучения, две оптические линии, каждая из которых включает в себя оптический канал, соединенный через фотоприемник с компаратором, отличающийся тем, что оптические каналы оптических линий являются информационными и прозрачными для длин волн источников излучения для одного из них с длиной волны _пог, равной длине волны поглощения контролируемого газа, и для другого с длиной волны _проп, проходящей через контролируемый газ без поглощения, при этом к выходам фотоприемников подключены блоки сравнения, первый из которых в оптической линии с источником излучения _пог имеет выход "пожар", а второй блок сравнения в оптической линии с источником излучения _проп - выход "дым", а выход компаратора является выходом "газ".

2. Извещатель по п.1, отличающийся тем, что источник излучения с длиной волны _пог состоит из двух излучателей со спектральными характеристиками, пересекающимися в точке перегиба этих характеристик, аппроксимируемых гауссовскими функциями с длиной волны _пог=( ₁+ ₂)/2, где ₁ и ₂ - максимумы спектральных характеристик излучателей.

3. Извещатель по п.1, отличающийся тем, что оптические каналы выполнены из отрезков волоконных световодов с обнаженной сердцевиной, не имеющих оболочки.

4. Извещатель по п.1, отличающийся тем, что оптические каналы выполнены открытыми, представляющие собой усеченные конусы охраняемого пространства.

5. Извещатель по п.1, отличающийся тем, что источник излучения с длиной волны _проп является полупроводниковым излучателем или лазерным диодом.

6. Извещатель по п.2, отличающийся тем, что в качестве излучателей использованы полупроводниковые излучающие или лазерные диоды.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к пожарной сигнализации и может быть использовано для обнаружения пожароопасной ситуации на ранней стадии возгорания.

Известны дымовые пожарные извещатели, как точечные, так и линейные, которые отличаются конфигурацией контролируемой зоны. Эти извещатели выдают сигнал тревоги только при наличии дыма. Но при некоторых типах пожаров образуется мало дыма, а на начальных стадиях возгорания уже появляются газообразные продукты термодеструкции, например углекислый газ (СО ₂) и угарный газ (СО). Дымовые извещатели в этих случаях неработоспособны (Неплохов И. Уникальное решение. Дымовой линейный пожарный извещатель 6500. БДИ. 2005, №5 (62). С.54-58) - [1].

В технике известны газовые пожарные извещатели, обеспечивающие перевод значения концентрации в атмосфере того или иного газа в электрический сигнал. Например, датчик Тагучи регистрирует угарный газ. Но он регистрирует и многие другие недоокисленные газы, наличие которых не связано с возгоранием. В итоге этот датчик обладает низкой селективностью (Шипицын С.Тенденции развития пожарных извещателей. БДИ. 2004, №3 (54). С.38-43) - [2].

Известно техническое решение построения линейного газового пожарного извещателя (ЛИ), в котором регистрация газообразных продуктов сгорания основана на избирательном поглощении газами электромагнитного излучения. Работа этого ПИ подобна линейному дымовому ПИ на основе источника и приемника оптического излучения, работающих в очень узком диапазоне длин волн (длина волны должна соответствовать резонансной частоте молекул обнаруживаемого газа). При увеличении концентрации обнаруживаемого газа мощность излучения источника, регистрируемая приемником, падает, что служит сигналом к срабатыванию извещателя. Эти извещатели требуют высокой точности поддержания заданной длины волны. Требуемая стабильность излучаемой длины волны может быть достигнута при использовании твердотельных лазеров, но они имеют большие габариты, большое энергопотребление и дóроги. Полупроводниковые лазерные излучатели, выпускаемые в настоящее время, не способны поддерживать стабильную длину излучаемой волны [2].

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство для обнаружения пожара (Устройство для обнаружения пожара. / Зайцев С.Н., Засимов А.Г., Косовцов О.В., Чигарев В.Д., Титков В.И. АС 1472933 СССР, МКИ G08В 17/10) - [3]. Устройство содержит излучатель в диапазоне электромагнитных волн 200-250 нм, рабочий световод без оболочки, контрольный световод с оболочкой, полупрозрачное зеркало, плоское зеркало, два фотоприемника и компаратор.

При наличии в окружающей среде продуктов горения, поглощающих свет, луч света, прошедший через рабочий световод, изменится в интенсивности (мощности потока излучения) при сохранении мощности потока излучения через контрольный световод, что приводит к срабатыванию компаратора и выдаче сигнала тревоги.

Но это устройство имеет низкую селективность, т.е. может срабатывать на все газы, поглощающие излучение в диапазоне 200-250 нм, а также и не являющиеся продуктами горения. В то же время это устройство не реагирует на полосы (линии) спектрального поглощения газов в диапазоне длин волн более 250 нм, образовавшихся на начальной стадии пожара и в результате горения. Например, линии поглощения газа CO₂ 1,4; 1,6 мкм не контролируются рассмотренным устройством.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в создании комбинированного пожарного извещателя, обладающего большей информативностью, реагирующего как на дым, так и на газы, образовавшиеся на начальной стадии пожара и в процессе горения с выдачей сигналов на наличие дыма, газа и пожара.

Технический результат достигается тем, что в пожарном извещателе, содержащем компаратор, источник излучения, две оптические линии, каждая из которых включает в себя оптический канал, соединенный через фотоприемник с компаратором, новым является то, что оптические каналы оптических линий являются информационными и прозрачными для длин волн источников излучения для одного из них с длиной волны _пог, равной длине волны поглощения контролируемого газа, и для другого с длиной волны _проп, проходящей через контролируемый газ без поглощения, при этом к выходам фотоприемников подключены блоки сравнения, первый из которых в оптической линии с источником излучения _пог имеет выход «пожар», а второй блок сравнения в оптической линии с источником излучения _проп - выход «дым», а выход компаратора является выходом «газ».

В извещателе источник излучения с длиной волны _пог состоит из двух излучателей со спектральными характеристиками, пересекающимися в точке перегиба этих характеристик, аппроксимируемых гауссовскими функциями с длиной волны _пог=( ₁+ ₂)/2, где ₁ и ₂ - максимумы спектральных характеристик излучателей.

Оптические каналы оптических линий могут быть выполнены из отрезков волоконных световодов с обнаженной сердцевиной, не имеющих оболочки, или открытыми, представляющими собой усеченные конусы охраняемого пространства.

Источник излучения с длиной волны _проп является полупроводниковым излучателем или лазерным диодом.

В качестве излучателей источника излучения с длиной волны _пог использованы полупроводниковые или лазерные диоды.

Сущность предложенного изобретения пояснена на фиг.1-5, где

Фиг.1 - структурная схема извещателя;

Фиг.2 - спектральные характеристики двух излучателей первого источника излучения;

Фиг.3 - вид функции Гаусса;

Фиг.4 - оптическая система суммирования потоков;

Фиг.5 - форма и расположение контролируемых зон в извещателе с открытыми оптическими каналами.

Здесь:

1, 2 - первый и второй источники излучения;

3, 4 - первый и второй оптические каналы;

5 - охранное пространство;

6, 7 - первый и второй фотоприемники;

8 - компаратор сравнения сигналов;

9, 10 - первый и второй блоки сравнения;

11, 14 - излучатели;

12, 15 - собирающие линзы;

13 - полупрозрачное зеркало с коэффициентом деления 1:1;

16 - плоское зеркало.

Извещатель состоит из двух оптических линий (фиг.1), в которых источники излучения 1 и 2 оптически связаны через оптические каналы 3 и 4 с фотоприемниками 6 и 7, при этом оптические каналы 3 и 4 находятся в охранном пространстве 5. Выходы фотоприемников 6 и 7 электрически связаны с входами компаратора 8 и с информационными входами блоков сравнения 9 и 10, которые по принципу действия являются компараторами с определенными порогами срабатывания U_п1 и U_п2.

Первый источник излучения 1 состоит из двух излучателей, например излучающих диодов, спектральные характеристики которых приведены на фиг.2, где Ф_е - спектральная плотность потока излучения.

Спектральные характеристики полупроводниковых излучателей в первом приближении могут быть аппроксимированы гауссовскими функциями вида Ф_е ˜ exp[-a²( _макс- )²], где а - коэффициент; _макс - длина волны при максимальном потоке излучения (Ермаков О.Н. Прикладная оптоэлектроника. М.: Техносфера, 2004. 416 с.) - [4].

Известно, что кривая Гаусса (фиг.3) имеет две точки перегиба П_л и П _п с координатой по оси у l/е 0,6.

Возле точек перегиба кривые Гаусса с некоторым приближением можно считать линейными. Таким образом, подобрав две характеристики, пересекающиеся в точке перегиба, можно считать, что в некотором интервале длин волн '- '' сумма потоков Ф_e '+Ф_e ''=Ф_e * (Ф_e * - суммарный результирующий поток) почти постоянна (фиг.2), где ₁ и ₂ - максимумы спектральных характеристик, _пог=( ₁+ ₂)/2 - координата точки перегиба - середина участка '- ''.

Величина _пог определяется длиной волны поглощения контролируемого газа. А затем подбираются излучатели со спектральными характеристиками Ф_е ' и Ф_е '', пересекающиеся при _пог при нормальной температуре.

Для повышения разрешающей способности извещателя необходимо максимально возможное совпадение спектра зондирующего излучения со спектром поглощения детектируемого вещества, то есть соответствие максимумов и значений полуширины наиболее интенсивной полосы поглощения и спектра зондирующего излучения [4].

При известном температурном коэффициенте смещения спектральных характеристик для заданного температурного диапазона работы извещателя рассчитываются точки с абсциссами _р' и _р'' (где _р' - длина волны результирующего источника излучения 1 при отрицательной температуре, _р'' - длина волны при положительной температуре), которые должны находиться в пределах '- ''согласно графическим построениям.

В источнике излучения 2 излучатель с длиной волны _проп может быть полупроводниковым со спектральной характеристикой, расположенной вблизи длины волны _пог, но не включающий _пог. Главное требование: излучение с длиной волны _проп должно проходить через контролируемый газ без поглощения с учетом смещения спектральной характеристики при изменении температуры.

Оптические каналы 3 и 4, расположенные в охраняемом пространстве 5, в котором может возникнуть пожар, выполнены из отрезков волоконных световодов с обнаженной сердцевиной, не имеющих оболочки. Первый канал должен быть прозрачным для длины волны _пог, равной длине волны поглощения контролируемого газа, а второй канал для длины волны _проп, проходящей через контролируемый газ без поглощения.

Волоконные световоды могут быть расположены в труднодоступном месте охраняемого пространства.

Волоконный световод без оболочки представляет собой волоконно-оптический датчик. В этом случае объемное поглощение в окружающей среде, играющей роль оболочки, приводит к изменению условий, при которых имел бы место эффект полного внутреннего отражения. В таком датчике потери оптической энергии пропорциональны коэффициенту объемного поглощения. Таким образом, по мере распространения луча по волокну с многократными отражениями от границы раздела сердцевина/оболочка его энергия последовательно уменьшается при каждом отражении луча от границы раздела. Несмотря на то, что потери энергии при каждом отражении малы, интегральный эффект после многократных отражений может быть достаточно значительным даже при умеренной длине волокна [4].

Таким образом, если световоды находятся в чистой атмосфере, то через них на длинах волн _пог и _проп проходит максимальный поток излучения. Если световоды будут контактировать с газом, поглощающим излучение с длиной волны _пог, то через первый световод пройдет меньше потока излучения, а через второй световод значение проходящего потока излучения не изменяется, так как газ не реагирует на излучение с длиной волны _проп.

Если световоды будут окружены дымом, то он одинаково будет воздействовать на излучение, проходящее через световоды, так как длины волн _пог и _проп близки по значениям.

Фотоприемники 6 и 7 могут быть одинаковыми, но перед ними должны располагаться оптические фильтры (на фиг.1 не показаны) на длины волн _пог и _проп.

Выходные напряжения фотоприемников пропорциональны прошедшим потокам излучения через оптические каналы. При чистой атмосфере напряжения будут максимальны, при этом коэффициенты пропускания оптических каналов принимаются за единицу. Таким образом, в первом оптическом канале напряжение с фотоприемника 6 пропорционально коэффициенту пропускания _г.д, зависящего от газа и дыма, а во втором оптическом канале напряжение с фотоприемника 7 пропорционально коэффициенту пропускания _д, зависящего только от дыма.

Компаратор 8, служащий для сравнения сигналов с фотоприемников, выполняется в любом схемотехническом исполнении, но настроен так, что сигнал на выходе «газ» появляется при неравенстве U ₇>U₆.

Блоки сравнения 9 и 10 выполняются в любом схемотехническом исполнении, имеют регулируемые пороги срабатывания U_п1 и U _п2, определяющие чувствительность оптических линий. При неравенстве U₆<U_п1 появляется сигнал на выходе блока 9 «пожар», а при неравенстве U₇<U_п2 - сигнал на выходе блока 10 «дым».

На фиг.4 показано конструктивное расположение оптических элементов для суммирования двух потоков излучения от излучателей в источнике 1. При этом оптические оси линз со своими излучателями взаимно перпендикулярны; полупрозрачное зеркало 13 расположено под углом 45° к этим осям, а плоское зеркало 16 расположено параллельно полупрозрачному зеркалу 13. Линзы 12 и 15 создают потоки почти параллельных лучей Ф _е ' и Ф_е '', которые затем с помощью зеркал 13 и 16 по законам оптики создают один суммарный поток Ф _е '+Ф_е ''=Ф_е *, состоящий из лучей потоков Ф_е ' и Ф_е ''. Далее этот суммарный поток Ф _е * почти параллельных лучей с помощью собирательной линзы (на фиг.4 не показана) направляется на торец световода 3.

Рассмотрим принцип действия извещателя. В первом случае при отсутствии пожарной ситуации, то есть когда в охраняемом пространстве 5 чистая атмосфера, потоки излучения от источников 1 и 2 проходят через световоды 3 и 4 и попадают на фотоприемники 6, 7. Чистая атмосфера исполняет роль оболочки световодов 3 и 4: согласно теории распространения излучения [4] часть потока излучения рассеется на границе раздела сердцевина/оболочка, а основная часть потоков излучения выйдет из световодов. С фотоприсмников 6 и 7 в этом случае при равенстве всех условий снимаются одинаковые напряжения. Из-за технологических разбросов (которые всегда имеют место) параметров элементов 1, 2, 3, 4, 6, 7 напряжения U ₆ и U₇ не равны. С помощью усилителей при фотоприемниках (на фиг.1 не показаны) настраивается равенство U₆=U₇.

Компаратор 8 настроен при этом так, что его выходной сигнал равен нулю.

Блоки сравнения 9 и 10 настраиваются на неравенства U ₆>U_п1, U₇ >U_п2 (путем регулировки пороговых значений напряжений U_п1 и U_п2 ), при этом их выходные сигналы равны нулю.

Во втором случае при появлении контролируемого газа и при отсутствии дыма на начальной стадии пожара излучение с длиной волны _проп проходит через этот газ без поглощения, следовательно, условия прохождения излучения через световод 4 не изменяются. В итоге на выходе фотоприемника 7 сигнал останется прежним U₇, а на выходе блока 10 - сигнал, равный нулю.

Излучение с длиной волны _пог не проходит через появившийся газ, и условия для прохождения этого излучения через световод 3 изменятся [4]. Через световод 3 пройдет меньший поток излучения и на выходе фотоприсмника 9 напряжение будет меньше прежнего, а именно При неравенстве компаратор 8 выдает сигнал «газ».

Блок сравнения 9 при неравенстве и при условии выдает сигнал «пожар».

Третий случай - имеется только дым. Частицы дыма будут оказывать одинаковое воздействие (поглощение и рассеяние) на излучения с длиной волны _пог и длиной волны _проп, так как длины волн близки друг другу. Следовательно, на выходах фотоприемников 6 и 7 будут одинаковые напряжения (но они меньше, чем при чистой атмосфере). На выходе компаратора 8 будет нулевой сигнал. На выходах блоков 9 и 10 согласно настроенным порогам их срабатывания U_п1 и U _п2 появятся выходные сигналы «пожар» и «дым» соответственно.

Четвертый случай - наличие газа с дымом. Исходя из предыдущих теоретических рассуждений вытекает, что в обоих оптических каналах (световодах) пройдет меньше потока излучения, чем при чистой атмосфере, но в световоде при наличии двух факторов пожара - газа и дыма пройдет меньше потока излучения, чем в световоде 4. В итоге на всех выходах появятся соответствующие сигналы: «пожар», «газ», «дым».

В рассмотренном извещателе оптоволоконные (называемые закрытыми) оптические каналы можно заменить открытыми. В этом случае оптические каналы будут представлять собой усеченные конусы охраняемого пространства (фиг.5), причем источники излучения и фотоприемники можно расположить конструктивно в одном блоке, а для изменения направления потоков излучения применить пассивный рефлектор (световозвращатель), применяемый в современных линейных извещателях [1].

Принцип действия извещателя с открытыми оптическими каналами будет аналогичен рассмотренному. В чистой атмосфере охраняемого пространства на выходах фотоприемников 6 и 7 будут максимальные выходные сигналы. При наличии контролируемого газа поток излучения с длиной волны _пог поглощается и на выходе фотоприемника 6 будет уменьшенное напряжение .

Дым будет одинаково поглощать и рассеивать оба потока излучения от источников излучения 1 и 2.

Рассмотренный пожарный извещатель с открытыми оптическими каналами можно применить для контроля состава дыма, выходящего из какой-либо печи.

Например, если контролировать газ СО, то можно судить о характере горения топлива. Для этого необходимо регистрировать аналоговые сигналы U₆ и U₇, величина которых отражает коэффициенты пропускания среды, а эти коэффициенты зависят от концентрации газа и дыма в контролируемой зоне, то есть в оптических каналах. По соотношению сигналов можно судить о достаточности кислорода для горения.

Таким образом, пожарный извещатель, построенный по предложенному техническому решению, обладает большой информативностью, так как он реагирует как на дым, так и на газы, образовавшиеся на начальной стадии пожара и в процессе горения с выдачей сигналов о наличии дыма и газа. При использовании в качестве источников излучения полупроводниковых излучателей или лазерных диодов извещатель пожара характеризуется простотой своей конструкции.

Извещатель может использоваться как с закрытыми оптическими каналами в виде отрезков волоконных световодов без оболочек, так и с открытыми - по конструктивной схеме общеизвестного линейного пожарного извещателя с пассивным рефлектором.

Область применения предложенного извещателя может быть расширена до контроля состава дыма, выходящего из какой-либо печи.