СПОСОБ ДИАГНОСТИКИ ПРЕДПОЖАРНОЙ СИТУАЦИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01N21/61 

Изобретение относится к предупреждению пожара в помещениях различного назначения и класса, включая обитаемые глубоководные аппараты, судовые помещения, атомные электростанции, угольные шахты, отсеки космических и летательных аппаратов, в зернохранилищах и хранилищах биологических масс, складах и химических производствах, гостиницах, музеях, картинных галереях, банках, ломбардах и т.д.

Известен способ раннего обнаружения пожара [1], основанный на флуоресцентной спектроскопии.

Цель изобретения - повышение надежности обнаружения предаварийной - предпожарной ситуации путем применения метода инфракрасной спектроскопии.

Недостаток известного способа-прототипа состоит в том, что контроль наличия продуктов термодеструкции осуществляется в диапазоне длин волн 0,3-0,5 мкм, в котором поглощает излучения небольшая группа органических материалов (полимеров), что не позволяет осуществлять обнаружение продуктов термодеструкции разнообразных органических материалов.

Вторым недостатком прототипа является то, что при формировании сигнала при раннем обнаружении пожара не учитывается влияние на него наличия фонового уровня продуктов термодеструкции, образующихся в защищаемых помещениях при нормальных условиях эксплуатации от горячего технологического оборудования, искрения щеток электрических машин постоянного тока и т.д., что существенно снижает показатель сигнал/шум, характеризующий надежность работы способа.

Третий недостаток заключается в том, что названный способ позволяет контролировать наличие продуктов разложения в локальной области газовоздушной среды помещения, а не во всем его объеме, что существенно увеличивает время обнаружения кризисной ситуации (снижает оперативность).

Экспериментальные исследования показали что продукты термического разложения разнообразных органических материалов, образующихся как под воздействием нештатного источника тепла или перегрузки по току кабельных трасс, так и электрической дуги (искрения в кабельных трассах) состоят из общего для них радикала типа С-Н, который имеет сильную полосу Х, поглощаются в среднем инфракрасном диапазоне спектра в области волновых чисел 3000-2700 см^-1. Анализ инфракрасных спектров поглощения показал, что к общим газовым компонентам, выделяющимся при термодеструкции различных органических материалов (горюче-смазочных, лакокрасочных, электроизоляционных материалов и т. д. ), относятся также молекулярные фрагменты вида С-Х, в состав которых входят метильная группа СН₃, имеющая асимметричное дважды выраженное колебание связей С-Н с волновым числом 2965 см^-1, метиленовая группа СН₂ с асимметричным колебанием связей С-Н с волновым числом 2926 см^-1 (Свердлов Л. М. и др. Колебательные спектры многоатомных молекул/ М.: Наука, 1970, с. 155-175, 179) и другие разнообразные радикалы этого типа. Колебания названной группы радикалов (связь С-Н) имеют сильную интенсивную полосу поглощения в ИК-спектре (Дж.Грассели. Применение спектроскопии КР в химии. М.: Мир, 1984, с. 52), что позволяет при небольшом количестве молекул одной из газовых компонент обнаружить по спектру поглощения кризисную ситуацию.

Частой причиной возникновения пожара является снижение сопротивления изоляции, которое сопровождается возникновением искрения с последующим нагревом и потенциальной возможностью образования электрической дуги и воспламенения электроизоляционных материалов.

В результате перегрева, связанного с воздействием электрической дуги, образуются следующие продукты термического разложения: углеводородные радикалы вида С-Н; хлорсодержащие радикалы вида C-Cl; также большое количество компонентов, которые можно охарактеризовать как содержащие перекисную группу (или кислородсодержащие радикалы).

В первую группу газовых компонент входят углеводородные радикалы, рассмотренные выше. Во вторую группу входят хлорсодержащие радикалы (связь С-Cl), которые имеют очень сильную интенсивность поглощения в диапазоне волновых чисел 720-760 с^-1 и образуются в результате термодеструкции хлорсодержащих органических материалов:
поливинилхлорид (...-CH₂CHClCH₂CHCl-...)_n;
полихлорвинил (-C₂Cl₄-)_n;
резиновые изделия, полученные вулканизацией хлоропренового каучука
...CH₂CHCH₂CHCH₂CH ... и т.д.

(см. П.Каррер. Курс органической химии, Л.: 1960, с. 932-933).

Идентификация газовых компонентов, образующихся при термодеструкции хлорсодержащих материалов, показывает, что таковыми являются:
метилхлорид (CH₃Cl), связь C-Cl, полоса 720-740 см^-1;
тетрахлорэтилен (С₂Cl₄H₂), связь C-Cl, полоса 750-760) см^-1;
этиленхлорид (C₂H₄Cl₄), связь C-Cl, полоса 725-740 см^-1;
винилхлорид (C₂H₃Cl), связь C-Cl, полоса 720-740 см^-1 и т.д.

(см. Гордон А. , Форт Р. Спутник химика. М.: Мир, 1976, с. 191-192; Cases and vapors. HiGH Resolution infrared srectra. Sadtler Research Laboratories, In.C., Subsidiary of Block Engineering, Inc, 1972 (GS77, 75, 69).

Углеводородные и хлорсодержащие радикалы образуются в результате термодеструкции органических материалов как под действием источника тепла, так и воздействия электрической дуги.

В третью группу газовых компонент, которая характеризуется как кислородсодержащая, входят кислородсодержащие радикалы, образующиеся в результате искрения и возникновения электрической дуги. Эти радикальные соединения образуются в результате окисления озоном продуктов термодеструкции до кислородсодержащих соединений. В эту группу входят газовые компоненты со следующими частотами поглощения:
озон, О₃, связь -О-О-О-, 1103, 1042 см^-1;
формальдегид,C, 2843, 1169 см^-1;
муравьиная кислота, НСООН, -О-О-, 1105, 1033 см^-1;
перекиси, R-O-O-R', 820-890 см^-1;
гидроперекиси, R-O-O-OH, 920-800 см^-1;
озониды,_; 1064-1042 см^-1 и т.д. (см. Свердлов Л.М. и др. Колебательные спектры многоатомных молекул. М.: Наука, 1970, с. 429, 431, 432, 439); Беллами Л. Инфракрасные спектры сложных молекул. Каррер П. Курс органической химии. Государственное научно-техническое издательство химической литературы. Л., 1960, с. 65-66; Infrared Characteristic Group Freguencies, G.Sockates. JoHN WILEY, 80, p 52).

Таким образом, образующийся в результате электрической дуги озон интенсивно окисляет продукты термодеструкции до перекисных радикалов, которые обнаруживаются по полосе средней интенсивности поглощения в области 800-900 см^-1. Анализ результатов показал, что обнаружить предпожарную ситуацию можно на фиксированных частотах в трех диапазонах поглощения.

I диапазон - фиксированное волновое число ν_С-Н в диапазоне 3000-2700 см^-1, в которой поглощают ИК-излучение всевозможные углеводородные радикалы вида С-Н, образующиеся в результате термодеструкции всех существующих органических соединений, включая биомассы, горючесмазочные, электроизоляционные, лакокрасочные и т.д.;
II диапазон - фиксированное волновое число ν_C-Cl в диапазоне 720-760 см^-1, в котором ИК-излучение поглощается всевозможными хлорпроизводными радикалами вида C-Cl, образующимися в результате термодеструкции хлорсодержащих органических материалов. В этом диапазоне при возникновении короткого замыкания возможно некоторое увеличение поглощения за счет образования NO₂ (750 см^-1);
III диапазон - фиксированное волновое число ν_-О-О в диапазоне 800-900 см^-1, в котором ИК-излучение поглощают всевозможные кислородсодержащие (перикисносодержащие) вида -О-О- радикалы, которые образуются в результате искрения и воздействия электрической дуги на органические материалы.

Фиксированные волновые числа ν_С-Н, ν_C-Cl, ν_O-O выбирались из расчета максимальной интенсивности поглощения в каждой из обобщенных групп радикалов.

Известно устройство для осуществления предлагаемого способа - инфракрасная система обнаружения утечки горючего газа и контроля воздуха (см. Пожарная безопасность на судах. Пер. с англ. Л.: Судостроение, 1985, с. 147-149).

Недостаток такой системы заключается в том, что она построена на обнаружении какой-то одной газовой компоненты в отличие от обобщенных групп радикалов вида С-Н, C-Cl; -О-О-, характеризующих продукты термодеструкции разнообразных органических материалов.

Кроме того, названное устройство обладает низкой надежностью определения кризисной ситуации, так как скорость прокачки контролируемого газа очень низка, и для оперативного контроля всего объема газовоздушной среды помещения потребуется очень большое время для опроса всей газовоздушной среды защищаемого помещения. Существенным недостатком названной системы является то, что при формировании сигнала не учитывается влияние шума (показатель сигнал/шум), что существенно снижает надежность обнаружения кризисной ситуации. Шум для радикалов по полосе С-Н выше, чем для радикалов в полосе C-Cl, за счет большей летучести и распространенности углеводородов по сравнению с хлорпроизводными. Величина же шума в полосе поглощения -О-О- определяется количеством работающих коллекторных электрических машин, преобразователей постоянного тока и т.д.

Кроме того, для повышения надежности обнаружения кризисной ситуации предусмотрено увеличение длины оптического пути монохроматического излучения до 5 м с помощью отклоняющей системы зеркал, что существенно увеличивает чувствительность устройства для контролируемых продуктов термодеструкции (закон Бугера-Ламберта D = D_oexp^-ζd d, где D_o, D - интенсивность монохроматического излучения до и после измерительного участка; ζ - молекулярный коэффициент поглощения; d - длина оптического пути).

Целью изобретения является повышение надежности устройства.

Цель изобретения достигается тем, что для контроля среды помещения с помощью штатной системы вентиляции через контролируемое пространство прокачивается газовоздушная среда с последующим многократным (одновременным) воздействием инфракрасным монохроматическим излучением на трех фиксированных волновых числах ν_С-Н, ν_C-Cl, ν_О-О с помощью отклоняющей системы зеркал в диапазонах спектра: полоса (3000-2700 см^-1), характерная для поглощения углеводородсодержащих радикалов вида С-Н; полоса 760-720 см^-1, характерная для поглощения хлорсодержащих радикалов вида С-Cl; полоса 960-800 см^-1, характерная для поглощения кислородсодержащих радикалов вида -О-О, поглощения излучения, фиксация его своим приемником излучения, от полученного спектра поглощения вычитается шум на своей частоте, разница через аналого-цифровой преобразователь вводится в микрокомпрессор, в котором происходит определение его максимума поглощения с последующим сравнением с пороговым значением и возможными величинами поглощения, характеризующими различную пожарную опасность энергонасыщенных помещений (эл.оборудования и т.д.) или интенсивность термодеструкции кризисных поверхностей.

Совпадение или превышение результирующего поглощения на одной из фиксированных частот используют в качестве критерия предпожарной ситуации (ППС) с выводом информации на монитор и через цифроаналоговый преобразователь - на блок индикации.

Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что для повышения надежности облучение среды в контролируемом пространстве осуществляется одновременно на трех фиксированных волновых числах ν_С-Н, ν_C-Cl, ν_О-О, прокачка газовоздушной среды помещения через контролируемое пространство осуществляется с помощью системы вентиляции, обладающей высоким объемным расходом с последующим многократным воздействием монохроматическим излучением с помощью отклоняющей системы зеркал и т.д.

Такое конструктивное решение имеет ряд существенных преимуществ: повышает надежность обнаружения ППС за счет облучения среды на трех фиксированных волновых числах ν_С-Н, ν_C-Cl, ν _О-О (см.фиг.1); снижает массогабариты устройства, так как для опроса-контроля газовоздушной среды используются воздухопроводы штатной системы вентиляции; тактико-технические характеристики системы, а именно увеличение объемного расхода газовоздушной среды через контролируемое пространство, значительно ускоряет опрос всей среды помещения. Так, при свободном объеме помещения V = 300 м³ и производительности вентилятора Q = 6700 м³/ч время прокачки всей среды через контролируемое пространство составляет τ = V/Q = 2,68 мин. Многократное воздействие монохроматическим излучением на контролируемое пространство с помощью отклоняющей системы зеркал повышает чувствительность предлагаемого устройства пропорционально оптической длине контролируемого пространства.

На фиг. 1 и 2 представлены области поглощения продуктов разложения и принципиальная блочная схема устройства, реализующего способ обнаружения предпожарной ситуации.

Устройство содержит вентилятор 1 и трубопроводы для забора воздуха из локальных объемов контролируемого помещения, источник 2 монохроматического излучения в ИК-диапазоне, контролируемое пространство, заключенное в многоходовую газовую кювету 3, модулятор 4 с электродвигателем 5 (с частотой модуляции излучения 12,5 Гц). Зеркальные модуляторы 6,7 (N 1 и N 2) с частотами вращения 12,5 и 25 Гц соответственно, системы отклоняющих зеркал 8, входных щелей N 3, в каждом из трех измерительных каналов 9, интерференционных узкополосных фильтров для работы на фиксированных волновых числах ν_С-Н, ν_C-Cl, ν_О-О соответственно 10, приемников 11 ИК-излучения, усилителей 12, электродвигателя 13, потенциометра 14, блоки данных о шуме на волновых числах ν_С-Н, ν_C-Cl, ν_О-О соответственно 15, трехканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 16, микропроцессор 17, монитор 18, цифроаналоговый преобразователь 19, блок 20 сигнализации.

Частота вращения модуляторов, как "теневого" 4, так и зеркальных 6, 7, выбирается с учетом оптимальных характеристик приемника ИК-излучения и составляет 12,5 Гц для 4 и 6, а для зеркального модулятора 7 - 25 Гц. Величина щели 9 в каждом из трех каналов выбирается с учетом оптимальной работы оптической схемы с контролируемыми продуктами термодеструкции, состоящими из молекулярных радикалов вида С-Н, C-Cl и О-О.

Интенференционные узкополосные фильтры 10 обеспечивают устойчивую работу оптической схемы в каждом из трех каналов на указанных фиксированных волновых числах.

Устройство работает следующим образом. Устройство прокачки (система вентиляции) забирает воздух помещения из локальных объемов и вентилятором 1 прокачивает его через многоходовую газовую кювету 3. Источник 2 посылает монохроматическое излучение через контролируемое пространство 3, в котором излучение претерпевает многократное отражение от системы зеркал. При появлении в контролируемом пространстве участка 3 одного из типов радикалов С-Н, C-Cl, О-О последние поглощают излучение на своем фиксированном волновом числе ν_С-Н, ν_С-Cl, ν_О-О, ослабляя поток монохроматического излучения.

Поток излучения проходит через "теневой" модулятор 4, затем поступает на зеркальный модулятор 6, на котором в первом полупериоде вращения луч отражается от зеркальной поверхности и поступает в канал N 1 (см.фиг.2) для измерения радикалов вида С-Н, во втором полупериоде вращения луч проходит на второй зеркальный модулятор 7, вращающийся с удвоенной по сравнению с первым зеркальным модулятором 6 частотой, который за время прохождения потока через модулятор 6, делает полный оборот, в первый полупериод которого луч излучения отражается от зеркальной поверхности 7 и поступает в канал N 2 измерения радикалов вида C-Cl, а во второй полупериод 7 проходит на фиксированное зеркало 8, отражаясь от которого поступает в канал N 3 для измерения кислородсодержащих радикалов. Таким образом луч излучения одновременно поступает в каждый из трех каналов, в которых он поступает на щель 9, свой узкополосный интерференционный фильтр 10 и приемник 11 ИК-излучения. В приемнике 11 сигнал усиливается и с помощью электродвигателя 13 и потенциометра 14 в виде скорректированного переменного сигнала поступает на аналого-цифровой преобразователь 16 анализатора 21, из которого преобразованный в удобном для ввода виде сигнал поступает в микропроцессор 17, из сигнала, характеризующего спектр поглощения радикалов С-Н, C-Cl и О-О (потенциометр 14), вычитается шум на соответствующей частоте (блок 15 исходных данных).

Скорректированный сигнал (разница) в виде переменного сигнала поступает в аналого-цифровой преобразователь 16 анализатора 21, из которого преобразованный в удобном для ввода виде сигнал поступает в микрокомпрессор 17, в котором происходит определение его максимума поглощения и последующее сравнение с пороговым значением и возможными величинами поглощения, характеризующими различную предпожарную опасность в помещениях.

Совпадения или превышение результирующего поглощения порогового значения для каждой из частот используют в качестве критерия предпожарной - предаварийной ситуации с выводом информации на монитор 18 и через цифроаналоговый преобразователь 19 - на блок 20 индикации.

Алгоритм выбора критерия диагностики ППС заключается в том, что обнаружение кризисной ситуации проводят по наличию поглощения углеводородсодержащих (С-Н) и хлорсодержащих (С-Cl) радикалов, а по наличию дополнительного поглощения кислородсодержащих радикалов (полоса -О-О-) судят о возникновении искрения или короткого замыкания в электрокоммутационном оборудовании.

Использование: для предупреждения пожара в помещениях разного класса и назначения, включая атомные станции, обитаемые глубоководные аппараты, судовые помещения, угольные шахты, отсеки космических и летательных аппаратов, зернохранилища и хранилища биологических масс, склады и химические производства, гостиницы, музеи, картинные галереи, банки и т.д. Сущность изобретения: предпожарная ситуация определяется методом инфракрасной спектроскопии путем воздействия на продукты термодеструкции в трех диапазонах длин волн, для которых характерно поглощение углеводородсодержащих и кислородсодержащих радикалов и молекул. Устройство содержит оптический блок, который содержит источник излучения, многоходовую кювету, устройство прокачки газовоздушной среды, теневой и зеркальный модуляторы, щели, узкополосные фильтры, приемники измерения и схему обработки с блоком исходных данных. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ диагностики предпожарной ситуации замкнутых помещений, заключающийся в воздействии монохроматическим излучением на характеристических длинах волн на газовоздушную смесь в помещении и регистрации величины интенсивности излучения, прошедшего через газовоздушную смесь, по которой судят о наличии компонентов, которые характеризуют кризисную ситуацию, отличающийся тем, что на газовоздушную смесь воздействуют многократно импульсным монохроматическим излучением в инфракрасном диапазоне спектра, регистрируют одновременно сигналы, соответствующие интенсивности прошедшего излучения в диапазонах длин волн 3,22 - 3,84 мкм, 12,82 - 14,28 мкм и 10,98 - 12,65 мкм, характерных для поглощения углеводородных, хлорсодержащих и кислородсодержащих радикалов соответственно, из которых вычитают сигналы, соответствующие допустимой концентрации, сравнивают эту разность с пороговым значением, а о возникновении пожароопасной ситуации судят по наличию в газовой смеси углеводородных, хлорсодержащих или кислородсодержащих радикалов выше допустимой концентрации. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что по наличию в газовой смеси кислородсодержащих радикалов выше допустимой концентрации судят о пожароопасности ситуации за счет возможного короткого замыкания в электрокоммутационном оборудовании. 3. Устройство для диагностики предпожарной ситуации, содержащее оптически сопряженные источник и приемник излучения, связанный с первым усилителем, и схему обработки, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит многоходовую оптическую систему, связанную с устройством прокачки газовоздушной смеси, теневой модулятор, расположенный на выходе этой системы, три оптических канала, каждый из которых содержит зеркальный модулятор, щель и интерференционный фильтр на диапазоны 3,22 - 3,84, 12,82 - 14,28 и 10,98 - 12,65 соответственно, а схема обработки дополнительно содержит два приемника излучения, второй и третий усилители, которые вместе с первым усилителем через соответствующие блоки допустимых концентраций пожароопасных компонентов соединены с аналого-цифровым преобразователем, выход которого подсоединен через микропроцессор и цифроаналоговый преобразователь к блоку сигнализации, при этом второй выход микропроцессора подключен к монитору.