УСТРОЙСТВО СИГНАЛИЗАЦИИ ПОЖАРО-ВЗРЫВООПАСНОЙ СИТУАЦИИ В ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ Российский патент 1999 года по МПК G08B17/107 G08B17/117 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для сигнализации и предупреждения пожаро- взрывоопасной ситуации в емкостях, в которых возможно натекание водорода и кислорода.

В настоящее время в аэрокосмической технике используются водородно-кислородные двигатели. Кислородно-водородные газовые смеси, накапливающиеся в различных емкостях летательных аппаратов в результате утечки газов, представляют большую опасность при достижении взрывоопасной концентрации кислорода и водорода. Поэтому надежный контроль за пожаро-взрывоопасной ситуацией необходимо осуществлять, контролируя оба компонента в газовой смеси.

Сложность контроля пожаро-взрывоопасных концентраций водородсодержащих газовых смесей в летательных аппаратах космической техники связана с жесткими условиями эксплуатации: температура в диапазоне от минус 50 до плюс 50^oC, широкий динамический диапазон изменения давлений от 780 мм рт.ст. до 5 мм. рт. ст., высокие виброперегрузки (от 30 g при частоте 10 Гц до 300 g при частоте 2000 Гц). При этом датчики, осуществляющие контроль натекания, должны обладать высоким быстродействием (не более 3-5 секунд) и чувствительностью к низким концентрациям анализируемых газов (парциальное давление водорода около 0,0075 мм рт.ст.). Кроме того, датчики должны обладать селективностью только к анализируемому газу и не срабатывать на натекание других газов, присутствующих на борту (например, гелия).

Известен датчик для регистрации водорода, содержащий изолирующую подложку с подогревом, проводящие контакты и полупроводниковый чувствительный слой на основе ZnO (Мясников И.А. Поверхностные процессы на окиси цинка и ее электропроводность в атмосфере водорода. Журнал физической химии, т. XXXII, вып. 4, 1958, с. 841-847). При измерении концентрации водорода при повышенных температурах (100-400^oC) датчика изменяется проводимость полупроводникового материала в результате хемосорбции водорода. С увеличением температуры растет и быстродействие датчика (10^-2 торр в течение 10-15 секунд при Т 300^oC).

Недостатком датчика является низкая селективность измерения концентрации водорода в присутствии кислорода, так как адсорбция кислорода на поверхности полупроводникового чувствительного элемента также изменяет его проводимость, причем характер изменения ее имеет противоположный знак.

Известен детектор утечки для емкостей, наполненных газом (EP N 0657728, МКИ G 01 M 3/16). Детектор содержит чувствительный элемент, находящийся в объеме, расположенном в непосредственной близости от возможного места утечки газа из газонаполненной емкости, и представляет собой электрическую спираль, выполненную из палладия, обладающего каталитической активностью и абсорбционной способностью по отношению к водороду. Сопротивление электрической спирали, включенной в измерительную цепь детектора, изменяется при наличии водорода. Через спираль протекает пульсирующий ток, имеющий период включения, достаточный по длительности для того, чтобы в районе чувствительного элемента скопилось достаточное для детектирования количество водорода. Детектор работает при температуре от минус 40 до плюс 85^oC.

Однако датчик обладает достаточно большой инерционностью и невысокой чувствительностью и не пригоден для измерения малых концентраций водорода (до 1 об.% при давлении 5 мм рт.ст.) в течение короткого промежутка времени (3-5 секунд).

Известно устройство для определения наличия водорода и водородсодержащих соединений (патент США N 4661320, НКИ 422-86). Устройство содержит датчик, фотосорбция которого изменяется в присутствии водорода и водородсодержащих соединений, и оптические средства измерения фотосорбции, вызванной поглощением газа. В устройстве имеется эталонный канал. С измерительного и эталонного фотоприемника выходной сигнал поступает в детектор, сравнивается с пороговым значением и на выходе детектора получают сигнал тревоги, если это вытекает из процесса измерения. Устройство малогабаритное, надежное в работе, потребляет мало энергии, так как в качестве источника излучения используется светодиод, а в качестве фотоприемников - фотодиоды. Чувствительный элемент выполнен в виде нанесенной на твердый компаунд тонкой пленки металла, например платины, адсорбирующего и диссоциирующего водород и водородсодержащие соединения. Устройство обладает высокой чувствительностью и стабильностью во времени и при изменении температуры.

Однако при измерении концентрации водорода в присутствии кислорода селективность датчика снижается за счет образования воды, что приводит к существенным ошибкам детектирования водорода. Кроме того, тонкая металлическая пленка недолговечна при высоких механических перегрузках.

Известен детектор водорода, основанный на регистрации изменения проводимости полупроводникового чувствительного элемента в его присутствии (патент США N 4324760, НКИ 422-98). Детектор содержит субстрат, на котором укреплено основание, слой двуокиси титана, расположенный между основанием и изоляционным слоем и контактирующий с каталитической верхней металлической пленкой, диссоциирующей водород на площади, достаточной, чтобы измерить электрическую проводимость чувствительного элемента. При этом верхняя металлическая пленка и основание находятся в электрическом контакте с внешней измерительной цепью, измеряющей изменение проводимости. Электрическая проводимость детектора изменяется при изменении концентрации кислорода в окружающей его атмосфере. Детектор измеряет концентрацию водорода до 100 ppm, что делает его хорошим устройством тревожной сигнализации при наличии 0,5 об.% водорода в воздухе (при заданной постоянной концентрации кислорода - 21 об.%). Детектор специфичен к водороду в присутствии CH₄.

Недостатком детектора является сложность конструкции из-за наличия нескольких слоев в детектирующем чувствительном элементе, что снижает надежность его работы при значительных механических перегрузках. Кроме того, детектор неселективен к водороду при наличии в окружающей атмосфере кислорода.

Известно устройство для детектирования дыма или газов в измерительном объеме (ЕР N0360126, МКИ G 08 B 17/107). Устройство содержит расположенные в измерительном объеме и оптически связанные источник излучения и два фотоприемника, реагирующие на появление газов или дыма. Сигнал первого фотоприемника поступает в блок, генерирующий сигнал тревоги, если сигнал этого фотоприемника достигает установленного значения. Кроме того, в устройстве имеется блок, генерирующий контрольный сигнал, если выходной сигнал второго фотоприемника достигает установленного значения при появлении в измерительном объеме измеряемого газа. Электронный ключ сравнивает сигналы фотоприемников и выдает сигнал тревоги при появлении в объеме контаминирующих газов или дыма.

Устройство не может быть использовано для сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации при наличии смеси газов водорода, так как реагирует на появление газов или дыма, сопутствующих уже начавшемуся возгоранию.

Известно устройство для диагностики предпожарной ситуации, предназначенное для предупреждения пожара в помещениях различного назначения и класса, в том числе в отсеках космических и летательных аппаратов, и сигнализирующих о появлении хотя бы одного из нежелательных газовых компонентов (патент РФ N 2022250, МКИ G 01 N 21/81). Устройство содержит оптически связанные источник излучения и несколько фотоприемников, число которых равно числу определяемых компонентов газовой смеси. Устройство прокачки забирает воздух из контролируемого помещения (из локальных объемов) и вентилятором прокачивает через кювету (измерительный объем). При появлении в контролируемом пространстве одного из типов радикалов определяемых газов, последние поглощают излучение, ослабляя поток монохроматического излучения, поступающий на соответствующий датчик. Скорректированный по шумам сигнал поступает в АЦП анализатора, из которого преобразованный в удобном для ввода виде сигнал поступает в микропроцессор, в котором происходит определение максимума поглощения и его последующее сравнение с пороговым значением и возможными величинами поглощения, характеризующими предпожарную опасность в помещении. Конечную информацию выводят на монитор. Устройство предназначено для измерения радикалов C-H, C-Cl; O-O и не может быть использовано для предупреждения пожаро-взрывоопасной ситуации в системах, содержащих в качестве горючей смеси единственный компонент - водород. Кроме того, датчики устройства реагируют на компоненты газовой смеси, появляющиеся при наличии возгорания, что недопустимо в случае присутствия в контролируемом объеме смеси водорода и кислорода в критической ситуации.

Задачей является создание устройства сигнализации пожаро- взрывоопасной ситуации, обусловленной появлением водорода и кислорода в различных емкостях летательных и космических аппаратов, заполненных инертным газом (азотом), в результате утечки. Устройство должно работать в широком диапазоне изменения температур и давления и при высоких механических нагрузках.

Поставленная задача решается предлагаемым изобретением.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройство сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации в летательных аппаратах, содержащее оптический канал, выполненный в виде оптически сопряженных источника и светофильтра излучения и фотоприемников, преобразователь сигналов фотоприемников, микропроцессор, вход которого связан с выходом преобразователя сигналов фотоприемников, и газовую магистраль, связанную о оптическим каналом, введены второй микропроцессор, полупроводниковый канал для детектирования водорода, чувствительный элемент которого выполнен в виде изолирующей подложки с подогревом, на которую нанесен полупроводниковый, выполненный по толстопленочной технологии чувствительный слой с проводящими контактами, в оптический канал введены оптически сопряженные с источником возбуждения и фотоприемниками измерительная и заполненная газом постоянного состава эталонная камеры с люминесцентным чувствительным к кислороду слоем на основе полимеризованного в мономерной форме в оптически прозрачных органических материалах Al(OH) этиопорфирин II и фильтр эмиссии, установленный перед обеими камерами, при этом измерительная камера оптического канала и полупроводниковый канал размещены в газовой магистрали, первый вход второго микропроцессора связан с выходом преобразователя сигнала фотоприемника, второй его вход связан с выходом полупроводникового канала, а выход второго микропроцессора связан со вторым входом первого микропроцессора.

Сравнение предлагаемой конструкции с прототипом показывает, что первая имеет общие с прототипом элементы, такие как оптический канал измерения со светофильтром, источником излучения и фотоприемником, а также преобразователь сигнала фотоприемников и микропроцессор, но отличается наличием дополнительного полупроводникового канала, чувствительного к водороду, наличием измерительной и эталонной камер в оптическом канале и дополнительными связями между элементами устройства.

Это позволяет получать сигнал предупреждения о пожаро- взрывоопасной ситуации в емкостях и отсеках летательных и космических аппаратов благодаря созданию возможности селективного измерения низких концентраций кислорода и водорода. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "Новизна".

Конструкция устройства с предлагаемой совокупностью входящих в нее чувствительных элементов и блоков позволяет своевременно получить сигнал тревоги о пожаро-взрывоопасной ситуации в замкнутом отсеке летательного или космического аппарата и предотвратить ее путем подачи сигнала в систему продувки азотом. Это достигается за счет совместного использования малоинерционного оптического канала, измеряющего концентрацию кислорода с помощью измерительной и эталонной камер с чувствительными к кислороду элементами, выполненными на основе полимерных пленок с заполимеризованным тонким слоем (1-2 микрона) Al(OH) этиопорфирина II в мономерной форме, и канала с полупроводниковым чувствительным элементом, работающих в широком интервале температур и устойчивых к большим механическим перегрузкам. Кроме того, в устройство введен микропроцессор коррекции сигнала полупроводникового канала по сигналу, поступающему с выхода преобразователя сигналов фотоприемников.

Это позволяет выделить сигналы, соответствующие реальным концентрациям водорода и кислорода в едином масштабе времени, что имеет большое значение, так как именно при определенном их соотношении в замкнутом объеме возникает пожаро-взрывоопасная ситуация. Кроме того, устройство позволяет предотвратить непроизводительный расход газа для продувки, когда сигнал о величине концентрации одного из компонентов еще не достиг порогового значения.

Авторам не известна подобная конструкция устройства, обеспечивающая указанный технический эффект, следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "Уровень техники".

Большинство элементов, входящих в конструкцию устройства, изготавливаются промышленностью (источники и приемники излучения, светофильтры, микропроцессор и т.д.). Изготовление других элементов не представляет трудности в производственных условиях.

Высокая чувствительность и быстродействие устройства, селективность при измерении водорода и кислорода, возможность работы в широком интервале температур, давлений и механических перегрузок и невысокая стоимость дают основания предполагать, что потребность в таких устройствах при эксплуатации летательных и космических аппаратов, подводных лодок очевидна. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "Промышленная применимость".

На чертеже показан вариант конструкции устройства сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации в летательных аппаратах.

Устройство содержит газовую магистраль 1, оптический канал 2 для измерения кислорода и полупроводниковый канал 3 для измерения смеси кислорода и водорода, оптический канал 2 содержит оптически сопряженные источник излучения 4, светофильтр излучения 5, измерительную камеру 6 с люминесцентным чувствительным к кислороду слоем, эталонную камеру 7 с люминесцентным чувствительным к кислороду слоем, заполненную газом постоянного состава, светофильтр эмиссии 8, общий для фотоприемников 9, 10, преобразователь сигналов 11, входы которого связаны с выходами фотоприемников 9 и 10; канал 3 содержит чувствительный элемент 12, выполненный в виде изолирующей подложки 13 из окислов алюминия и нанесенного на нее полупроводникового чувствительного к водороду и кислороду слоя 14 из окислов цинка с платиновыми контактами, подложка 13 подключена к источнику подогрева 15; выход преобразователя 11 соединен с первым входом микропроцессора 16 сравнения сигналов двух каналов и с первым входом микропроцессора 17, а выходы чувствительного элемента 12 канала 3 соединены со вторым и третьим входами микропроцессора 16, выход которого соединен со вторым входом микропроцессора 17; измерительная камера 6 и полупроводниковый чувствительный элемент 12 расположены в газовой магистрали, связанной с емкостями, в которых определяется натекание водорода и кислорода.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемая газовая смесь поступает (за счет направленного потока со скоростью 1-10 м/с) в газовую магистраль 1 и контактирует с чувствительным к кислороду слоем измерительной камеры 6 оптического канала 2 и чувствительным элементом 12 полупроводникового канала 3. Свет от источника 4 через светофильтр возбуждения 5 поступает на чувствительный элемент измерительной 6 и эталонной 7 камер. Сигналы люминесценции, образующиеся за счет возбуждения чувствительных слоев в обеих камерах, выделяются светофильтром эмиссии 8 и поступают на соответствующие фотоприемники 9, 10 и после преобразования в электрические сигналы поступают в преобразователь сигналов 11, который преобразует сигналы с двух фотоприемников в электрический сигнал, пропорциональный парциальному давлению кислорода в газовой магистрали. Нормирование сигнала измерительной камеры 6 на сигнал эталонной камеры 7 в преобразователе сигналов фотоприемников 11 устраняет воздействие на чувствительный элемент температуры и флуктуаций источника излучения.

Чувствительный элемент 14 полупроводникового канала 3 подогревают до 300^oC, пропуская через подложку 13 ток от источника 15. На чувствительный к водороду и кислороду слой 14 подают от микропроцессора 16 напряжение и снимают электрический сигнал, пропорциональный проводимости чувствительного слоя. Электрические сигналы с 12 и 11 поступают в микропроцессор 16, в котором производится преобразование этих сигналов в электрический сигнал, пропорциональный парциальному давлению водорода, за счет их математического преобразования. Электрические сигналы с 11 и 16 поступают в микропроцессор 17, в котором они сравниваются с заданными пороговыми уровнями для кислорода и водорода и на выходе формируется сигнал управления системой продувки инертного газа (азота) в емкостях летательных и космических аппаратов для предупреждения пожаро-взрывоопасной ситуации.

Чувствительные элементы камер 6 и 7 оптического канала 2 выполнены из оптически прозрачного полимерного материала, например полиметилметакрилата, с заполимеризованным тонким слоем (1-2 микрона) Al(OH) этиопорфирина II в мономерной форме. Это соединение обладает почти постоянным уровнем сигнала замедленной флуоресценции при изменении температур в диапазоне минус 50 - плюс 50^oC, имеет длительное время затухания (115 мс) в средах, освобожденных от кислорода, и селективно детектирует кислород в присутствии других газов. Большое время затухания этого соединения обеспечивает высокую чувствительность при индикации малых парциальных давлений кислорода (до 1 мм.рт.ст.).

Способы синтеза различных металлопорфиринов описаны в научно-технической литературе.

Технология получения толстопленочных полупроводниковых слоев из окислов цинка освоена отечественной промышленностью.

Чувствительные слои оптического и полупроводникового каналов устойчивы и сохраняют работоспособность при больших перепадах давлений (760-5 мм.рт.ст.) и при больших механических перегрузках.

Предлагаемое устройство обладает небольшими габаритами (120x70x100 мм), малым энергопотреблением (не более 6 Вт), может быть использовано не только в аэрокосмической, но в других областях промышленности.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для предупреждения возникновения пожаро-взрывоопасной ситуации в различных емкостях летательных и космических аппаратов в результате утечки газов. Устройство содержит оптический канал измерения, выполненный в виде оптических сопряженных источника и светофильтра излучения и фотоприемников, микропроцессор, выполненный с возможностью сравнения измеренных сигналов с пороговыми уровнями для кислорода и водорода, газовую магистраль, связанную с оптическим каналом измерения, полупроводниковый канал для измерения смеси водорода и кислорода, измерительную и заполненную газом постоянного состава эталонную камеру, микропроцессор, выполненный с возможностью преобразования сигналов оптического и полупроводникового каналов в сигнал, пропорциональный парциальному давлению водорода. Технический результат изобретения заключается в том, что устройство позволяет получать сигнал предупреждения о пожаро-взрывоопасной ситуации благодаря созданию возможности селективного измерения низких концентраций кислорода и водорода в едином масштабе времени. 1 ил.

Устройство сигнализации пожаро-взрывоопасной ситуации в летательных аппаратах, содержащее оптический канал измерения, выполненный в виде оптически сопряженных источника и светофильтра излучения и фотоприемников, микропроцессор, выполненный с возможностью сравнения измеренных сигналов с пороговыми уровнями для кислорода и водорода, и газовую магистраль, связанную с оптическим каналом измерения, отличающееся тем, что в него введены преобразователь сигналов фотоприемников, второй микропроцессор, полупроводниковый канал для измерения смеси водорода и кислорода, чувствительный элемент которого выполнен в виде изолирующей подложки с подогревом, на которую нанесен полупроводниковый, выполненный по толстопленочной технологии чувствительный слой с проводящими контактами, в оптический канал измерения введены оптически сопряженные с источником излучения и фотоприемниками измерительная и заполненная газом постоянного состава эталонная камера с люминесцентным чувствительным к кислороду слоем на основе полимеризованного в мономерной форме в оптически прозрачных материалах AL(OH) этиопорфирина II и фильтр эмиссии, общий для обоих фотоприемников, при этом измерительная камера оптического канала измерения и упомянутый полупроводниковый канал размещены в газовой магистрали, преобразователь сигналов фотоприемников выполнен с возможностью нормирования сигнала от измерительной камеры по сигналу от эталонной камеры с последующим преобразованием в парциальное давление кислорода, второй микропроцессор выполнен с возможностью преобразования сигналов упомянутых оптического и полупроводникового каналов в электрический сигнал, пропорциональный парциальному давлению водорода, причем выход преобразователя сигналов фотоприемников связан с первыми входами первого и второго микропроцессоров, второй вход второго микропроцессора связан с выходом полупроводникового канала, а выход второго микропроцессора связан со вторым входом первого микропроцессора.