ДЕТЕКТОР ДЫМА Российский патент 1999 года по МПК G08B17/10 

Изобретение относится к устройствам пожарной сигнализации и может быть использовано в качестве извещателя, реагирующего на появление частиц дыма на ранней стадии возникновения пожара.

Известен фотоэлектрический детектор дыма (патент 660244, Швейцария, G 08 B 17/10, 29/00 от 31.03.87), содержащий генератор, управляющий источником излучения. Оптический сигнал от источника, рассеянный на частичках дыма, попадает на фотодетектор, усиливается и подводится к схеме обработки сигналов, на второй вход которой поступают сигналы с генератора. Схема обработки содержит фоточувствительную схему, которая инвертирует принимаемые сигналы в соответствии с исходными сигналами генератора. Таким образом, все помехи и шумовые сигналы, имеющие полярность полезного сигнала, но не совпадающие с зондирующими импульсами, подавляются. Подавляются также все паразитные сигналы, имеющие противоположную полярность и попадающие в область длительности зондирующего импульса. Полученный в схеме обработки сигнал управляет сигнальным устройством.

К недостаткам устройства следует отнести: отсутствие подавления помех, совпадающих по полярности с полезным сигналом и поступающих во время посылки зондирующих импульсов.

Известен детектор дыма (патент 4321595, США, кл. G 08 B 17/10, 29.03.82), содержащий генератор, источник излучения, фотодетектор, усилитель фототока, два элемента И, элемент ИЛИ, счетчик и сигнализатор. Выход генератора соединен со входом источника излучения (светодиод), оптически связанным через рассеянное на частицах дыма излучение с фотодетектором (фотодиодом). Выход фотодиода соединен со входом усилителя фототока, выход которого является первым входом элемента И. Выход генератора также соединен с первым входом второго элемента И и первым входом элемента ИЛИ. Вторые входы обоих элементов И соединены с первым выходом счетчика. Выход второго элемента И соединен с R-входом счетчика, а выход первого элемента И - со вторым входом элемента ИЛИ, выход которого является С-входом счетчика. Второй выход счетчика соединен с сигнализатором.

Генератор формирует периодическую последовательность импульсов, которая преобразуется светодиодом в оптическое излучение. При появлении дыма заданной концентрации на выходе фотодиода появляется соответствующий электрический сигнал, который усиливается усилителем фототока и поступает на первый вход первого элемента И. Одновременно сигналы с генератора поступают на первый вход второго элемента И и первый вход элемента ИЛИ. Все сигналы имеют отрицательную полярность.

Счетчик в исходном состоянии на первом выходе, соединенным с сигнализатором, поддерживает нулевой уровень, а на втором выходе - единичный. Таким образом, на R-вход поступают импульсы с генератора, разрешающие счет только во время прохождения зондирующих импульсов, а на вход С сигналы, равные сумме сигналов генератора и выхода усилителя фототока. При их совпадении счетчик меняет состояние и включает аварийную сигнализацию.

К недостаткам детектора следует отнести невысокую помехоустойчивость, т. к. схема совпадения будет формировать сигнал на С-входе счетчика при появлении любой помехи, совпадающей по длительности с длительностью зондирующего импульса.

Известен детектор дыма (патент 657221, Швейцария, G 08 B 17/10 15.08.86), содержащий генератор, источник излучения, например светодиод, фотодетектор, например фотодиод, усилитель фототока, формирователь, счетчик и сигнализатор. Генератор соединен по первому выходу со светодиодом и входом усилителя фототока, по второму - с С-входом счетчика. Выход фотодиода соединен со входом усилителя фототока, выход которого является входом формирователя. Выход формирователя соединен с R-входом счетчика, выход которого соединен со входом сигнализатора.

Генератор формирует периодическую последовательность импульсов, которая с одной стороны поступает на счетный С-вход счетчика, с другой стороны - на светодиод, преобразующий импульсы в оптическое излучение. При появлении белого дыма рассеянное излучение светодиода попадает на фотодиод, формирующий на выходе электрические импульсы, которые складываются с импульсами генератора в противофазе. Когда дыма нет, на входе усилителя присутствует импульс генератора, а при наличии дыма заданной плотности сигнала нет. Сигнал усиливается до необходимого уровня, формируется и поступает на разрешающий вход R-счетчика.

При отсутствии дыма импульсы генератора периодически устанавливают счетчик в исходное состояние и счетчик не считает импульсы, поступающие на вход С. При появлении дыма заданной концентрации импульсы генератора компенсируются сигналом с фотодиода и на R-входе пропадают сигналы установки, счетчик начинает считать импульсы генератора, поступающие на С-вход. После поступления заданного количества импульсов счет прекращается и счетчик формирует сигнал тревоги, поступающий на сигнализатор.

Известный детектор имеет следующие недостатки
1) При появлении на входных цепях импульсных помех во время прохождения импульса генератора, вызванных как электрическими наводками, так и импульсной засветкой, например, при включении/выключении люминисцентных ламп, возможно снижение сигнала ниже порогового уровня. При этом будут формироваться импульсы сброса, поступающие на R-вход счетчика, хотя уровень задымленности превысит пороговое значение, что приведет к пропуску полезного сигнала.

2) Включение непосредственно на выход фотодиода дополнительных цепей снижает чувствительность за счет появления дополнительной емкости и помехоустойчивость из-за большей длительности входных цепей.

3) Образование в результате горения некоторых материалов "черного" дыма, который практически не отражает оптического сигнала от источника излучения на фотодиод, обуславливает в ряде случаев отсутствие сигнала тревоги при возникновении пожара.

Задачей изобретения является создание помехоустойчивого и надежного детектора дыма, позволяющего, в частности, обеспечить сигнал тревоги независимо от природы тлеющего или горящего материала.

Техническим результатом, который может быть получен при использовании настоящего изобретения, является повышение помехоустойчивости при возникновении импульсных помех и повышение чувствительности к черному дыму.

Указанный технический результат достигается тем, что в детектор дыма, содержащий генератор, источник излучения, фотодетектор, усилитель фототока, фильтр верхних частот, усилитель-формирователь, счетчик и сигнализатор, причем выход генератора соединен с источником излучения, который оптически через рассеянное на частицах белого дыма излучение связан с фотодетектором, выход которого соединен со входом усилителя фототока, выход которого соединен со входом фильтра верхних частот, выход которого соединен со входом усилителя-формирователя и выход счетчика соединен со входом сигнализатора, дополнительно введены: триггер, формирователь и элемент И, причем выход генератора соединен со входом формирователя и R-входом триггера, S-вход которого соединен с выходом усилителя формирователя, а выход с первым входом элемента И, выход которого соединен с R-входом счетчика, С-вход которого и второй вход элемента И соединены с первым выходом формирователя, второй выход которого соединен со входом управления усилителя-формирователя.

Источник излучения содержит группу светодиодов, выполненных на основе соответственно карбида кремния, фосфида галлия и арсенида галлия, а фотоприемник выполнен в виде фотодиода на основе кремния. Генератор может быть соединен с источником излучения через коммутирующий элемент, обеспечивающий поочередное подключение составляющих.

На фиг. 1 представлена структурная схема детектора дыма; на фиг. 2 - временные диаграммы работы детектора дыма; на фиг. 3 - принципиальная электрическая схема макета детектора дыма.

Детектор дыма содержит генератор 1, соединенный с источником электромагнитного излучения, например светодиодами 2, формирователем 3 и RS-триггером 10, фотодетектор 4, соединенный с усилителем фототока 5, который через фильтр верхних частот соединен с усилителем-формирователем 7, выход которого соединен с S входом RS-триггера 10. Выход триггера 10 соединен с первым входом элемента И и с С-входом счетчика 8, соединенного с сигнализатором 9. Первый выход элемента И соединен с R - входом счетчика 8, а второй выход формирователя 3 - с управляющим входом усилителя-формирователя 7.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 1 (фиг. 1, фиг. 2) периодически генерирует зондирующие импульсы длительностью Т_и с периодом следования Т, причем Т превышает Т_и в несколько тысяч раз. Сигналы с генератора 1 поступают на светодиоды 2, где преобразуются в оптические сигналы, которые излучаются в диагностируемое пространство. При отсутствии дыма рассеянный оптический сигнал в диагностируемой зоне отсутствует, и на выходе фотодетектора 4 электрического сигнала также нет. Соответственно отсутствуют импульсные сигналы на S - входе триггера 10.

Одновременно сигналы с генератора 1 поступают на формирователь 3, который из зондирующих импульсов формирует импульсы длительностью Т_з, учитывающей задержки при прохождении на первом выходе, а на втором выходе - короткие импульсы, соответствующие заднему фронту импульсов Т_з. При появлении дыма рассеянное излучение попадает на фоточувствительную площадку фотодетектора 4, например фотодиода, детектируется и усиливается усилителем фототока 5. На выходе усилителя фототока 5 присутствуют следующие сигналы: низкочастотные помехи засветки от ламп накаливания и люминисцентных ламп (частотой 50 и 100 Гц); высокочастотные помехи, вызванные переходными процессами при включении/выключении источников освещения, неисправными люминисцентными лампами и др. Далее сигналы поступают на вход фильтра 6 верхних частот высокого порядка, например третьего, который практически подавляет низкочастотные помехи. Отфильтрованные сигналы поступают на усилитель-формирователь 7, где дополнительно усиливаются, а также сравниваются по амплитуде с заданным пороговым уровнем. Причем усилитель-формирователь 7 имеет вход управления, соединенный со вторым выходом формирователя 3 импульсов. Таким образом, коэффициент усиления усилителя 7 синхронно с генерацией зондирующих импульсов (с учетом временных задержек) увеличивается в несколько раз, что эквивалентно увеличению порога в такое же количество раз. Таким образом, увеличивается помехоустойчивость в период между зондирующими импульсами и снижается энергопотребление.

На выходе усилителя-формирователя 7 формируются импульсы от сигналов, попадающих в период времени Т_з и превышающих заданный порог. Это могут быть импульсы источника излучения, рассеянные на частицах дыма и попадающие на фотодетектор 4, а также сигналы от высокочастотных помех, причем за период Т_з их может быть несколько. С выхода усилителя-формирователя 7 сигналы поступают на S-вход RS-триггера 10, на R-вход которого поступают сигналы сброса от генератора 1. Таким образом, в начале каждого зондирующего импульса триггер 10 сбрасывается в нулевое состояние и в случае, если на R-вход поступает импульс, на выходе устанавливается высокий уровень. Причем многократные помехи будут эквивалентны одному импульсу.

На входы элемента И 12 поступают сигналы с выхода триггера 10 и с первого выхода формирователя 3. В результате на выходе селектируются импульсы формирователя 3, соответствующие высокому уровню выходных сигналов триггера 10. Это могут быть как полезные сигналы, так и импульсы помехи.

Для устранения ложных срабатываний сигналы с выхода элемента И 12 поступают на R - вход счетчика 8, на С - вход которого поступают импульсы с формирователя 3. Счетчик 8 считает заданное количество импульсов, например 4 (на фиг. 2 показано 3 импульса) и только после этого формирует высокий уровень, поступающий на сигнализатор 9, который формирует сигнал тревоги. Уровень поддерживается до тех пор, пока импульсы поступают на R- вход. В случае, когда импульс не поступает на R - вход, счетчик 8 сбрасывается в исходное состояние и опять будет накапливать заданное количество импульсов. Таким образом, двух- и даже трехкратное появление помех во время Т_з не приведет к ложному срабатыванию сигнализатора 9. При превышении длительности периода Т над длительностью импульса Т_э в несколько тысяч раз четырехкратное появление помех в промежутке Т_з маловероятно. Для увеличения помехоустойчивости количество накапливаемых импульсов может быть увеличено, хотя в этом случае увеличивается время реакции детектора на появление дыма.

Таким образом, на помехи, попадающие на фотодетектор 4 вне длительности зондирующих импульсов, устройство не реагирует. Многократные импульсные помехи во время зондирующих импульсов преобразуются в один импульс, который будет накапливаться счетчиком 8. Но только многократное совпадение импульсов помехи с импульсами генератора вызовет ложное срабатывание. Выбор соотношения между длительностями импульса и периода зондирования и количества импульсов накапливаемых счетчиком 8 практически устраняет ложные срабатывания. Следовательно, достигается решение поставленной задачи.

В случае появления белого дыма как продукта возгорания некоторых материалов индикация дыма ведется преимущественно за счет использования излучения диода на основе фосфида галлия, излучающего в видимом диапазоне.

В случае появления черного дыма как продукта возгорания других материалов, практически полностью поглощающего излучение видимого диапазона, индикация дыма ведется преимущественно за счет использования излучения светодиода на основе карбида кремния, т.е. за счет более коротких волн, лежащих ближе к ультрафиолетовой области спектра. Фотодиод на основе кремния обеспечивает регистрацию отраженного излучения во всем возможном диапазоне.

Возможность использования для диагностики задымленного пространства широкого диапазона излучений (от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного) резко повышает достоверность сигнала оповещения.

Для проверки работоспособности заявляемого устройства был собран макет (фиг. 3) и проведены его испытания, подтвердившие высокую помехоустойчивость, что указывает на правильность предлагаемых технических решений.

Макет устройства работает следующим образом. Генератор импульсов, собранный на микросхеме DD1 1566ГГ1, генерирует зондирующие импульсы длительностью 40 мкс с периодом следования 350 мс. Выходные сигналы поступают на базу транзистора VT1, который управляет током через светодиоды VD1, VD2, (AЛ115), излучающие оптические импульсы. Ток возбуждения может быть установлен в зависимости от требуемой чувствительности, например 200 мА. Рассеянное на частицах дыма излучение попадает на фотодиод VD1 (ФД1), нагруженный на усилитель фототока, собранный по трансимпедансной схеме на операционном усилителе DA1 (140EL1208). Для подавления низкочастотных помех и уменьшения энергопотребления применяется фильтр верхних частот третьего порядка, выполненный на операционном усилителе DA2 (140УД120). Далее отфильтрованные импульсные сигналы поступают на усилитель-формирователь, где дополнительно усиливаются на усилителе DAЗ (140УД1208) и формируются на транзисторном ключе VT2. С выхода формирователя сигналы поступают на S-вход RS-триггера, выполненного на трех элементах И-НЕ DD3.1, DD3.2, DD3.3. На R-вход триггера поступают сигналы с генератора (через инвертор DD7.4). С того же инвертора сигналы подаются на вход формирователя, который формирует длинный импульс управления усилителем-формирователем (100 мкс) и короткий импульс (10 мкс), соответствующий заднему фронту импульса управления, который поступает на второй вход элемента И. Формирователь выполнен на R-C цепях С10, R21 и С11, R22 и на элементах DD2.1, DD2.2, DD2.3. Схема И, выполненная на элементе И-НЕ (DD2.1) и инверторе DD3.4, сравнивает сигналы с триггера и формирователя; результат поступает на R-вход счетчика (DD4.1). На вход ЕС счетчика поступает управляющий импульс длительностью 100 мкс с формирователя, а через вход С организована остановка счетчика при счете до 4 импульсов. С выхода счетчика уровень управления поступает на сигнализатор, который состоит из транзисторного ключа VT7 и умножителя напряжения на микросхемах DD5 и DD6. Исполнительным элементом является пьезозвонок 3п1.

Все устройство питается от батареи 12 через стабилизатор напряжения, выполненный на транзисторах VT3, VT4, VT5, стабилитроне VD8. Стабилизатор формирует напряжение питания 5, 6-10В на выходе а, 4, 5В - на выходе в, 3, 5В - на выходе с. Для увеличения напряжения питания при срабатывании на стабилизатор подается дополнительный ток с сигнализатора.

Для постоянного контроля напряжения питания применяется устройство контроля 14, состоящее из счетчика DD4.2, элементов DD7.1, DD7.2, DD7.3. С помощью ключа VT6 результат сравнения напряжения батареи с опорным напряжением выводится на индикатор VD13, который с периодом 10 - 11с показывает, что напряжение на батарее находится в диапазоне 5, 6 - 10В.

Детектор дыма содержит генератор 1, соединенный с источником 2 излучения, выполненным с возможностью осуществления оптической связи через рассеянное на частицах дыма излучение с фотодектором 4, выход которого последовательно соединен через усилитель фототока 5 и фильтр 6 верхних частот со входом усилителя-формирователя 7, выход генератора соединен со входом формирователя 3 и R-входом триггера 10, S-вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя 7, а выход - с первым входом элемента И 12, выход которого соединен с R-входом счетчика 8, выход которого соединен со входом сигнализатора 9, а С-вход и второй вход элемента И соединены с первым выходом формирователя, второй выход которого соединен со входом управления усилителя-формирователя. Источник излучения может быть выполнен в виде группы светодиодов. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости при возникновении импульсных помех и повышение чувствительности к черному дыму. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Детектор дыма, содержащий генератор, соединенный с источником излучения, выполненным с возможностью осуществления оптической связи через рассеянное на частицах дыма излучение с фотодектором, выход которого последовательно соединен через усилитель фототока и фильтр верхних частот со входом усилителя-формирователя, и счетчик, выход которого соединен со входом сигнализатора, отличающийся тем, что введены триггер, формирователь и элемент "И", причем выход генератора соединен со входом формирователя и R-входом триггера, S-вход которого соединен с выходом усилителя-формирователя, а выход - с первым входом элемента "И", выход которого соединен с R-входом счетчика, С-вход которого и второй вход элемента "И" соединены с первым выходом формирователя, второй выход которого соединен со входом управления усилителя-формирователя. 2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что источник излучения состоит из группы светодиодов, выполненных по крайней мере на основе соответственно карбида кремния, фосфида галлия и арсенида галлия, при этом фотоприемник выполнен в виде фотодиода на основе кремния, а генератор соединен с источником излучения через коммутирующий элемент для поочередного подключения светодиодов.