ИНФРАКРАСНЫЙ МНОГОДИАПАЗОННЫЙ ДЕТЕКТОР ПЛАМЕНИ И ВЗРЫВА Российский патент 2007 года по МПК G08B17/12 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к оптическим детекторам пламени и взрыва, преобразующим инфракрасное излучение от очагов пожара, открытого пламени или взрыва в электрический сигнал. Предназначено для применения в качестве устройств, инициирующих начало работы противопожарных систем, средств пожаротушения и взрывоподавления, а также для контроля наличия пламени.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время используются два основополагающих принципа идентификации пламени, на которых основана аппаратура обнаружения пожара и взрыва большинства фирм. Это принципы частотной и спектральной селекции. При частотном принципе определяющий признак - наличие низкочастотных колебаний интенсивности излучения контролируемого источника. При спектральном принципе определяющий признак - наличие в спектре излучения контролируемого источника спектральных полос, характерных для продуктов горения (паров воды и углекислого газа).

Очевидно конструкции, схемы и функциональные возможности датчиков, их помехоустойчивость, надежность, быстродействие, потребительские качества, в основном, определяются характеристиками приемников инфракрасного излучения.

Для частотного принципа обнаружения пламени применяют приемники излучения, способные фиксировать низкочастотные колебания пламени (от 2 до 20 Гц). Такими приемниками являются, например, пироприемники, фоторезисторы, фотодиоды или фотоэлектрические преобразователи.

Для реализации принципа спектральной селекции обычно используют несколько спектрально селективных приемников, реагирующих на излучение в различных участках спектров пламени или взрыва, или используют один широкополосный приемник излучения, но тогда необходимые участки в спектре выделяют с помощью оптических фильтров. Иногда схемы спектральной селекции дополняют схемы частотной селекции. Наиболее интересные из современных детекторов пожара рассмотрены ниже.

Известно техническое решение (патент US №5850182А, приоритет 15.12.1998 г, заявитель Detector Electronics Corporation,USA), где предложено использовать два приемника излучения. Область спектральной чувствительности первого совпадает со спектрами излучения пламени, а область спектральной чувствительности второго должна находиться вне рабочего спектрального диапазона первого приемника. При этом по первому и второму приемникам осуществляется частотный анализ низкочастотных сигналов от колеблющегося пламени и мерцающих оптических помех, сравниваются амплитуды, фазы и частоты колебаний, фиксируется наличие или отсутствие регулярных колебаний, оценивается их динамика во времени и делается заключение об истинности или ложности сигнала о пожаре. В качестве приемников излучения здесь применяются пироприемники с двумя различными интерференционными фильтрами. Этот патент используется при производства извещателей фирмы «Det-tronics», USA.

Известны также решения, когда системы частотного анализа сигнала от колеблющегося пламени включают три канала с различными приемниками излучения и сложными алгоритмами их взаимной обработки - патент US №5804825 (приоритет 08.09.1998 г.) и заявка WO №9506927 (опубл. 09.03.1995). Основа этих решений - частотный анализ сигналов в каждом канале, приемники - пироприемники.

Простейший вариант извещателя на основе спектральной селекции - выбор для приемника излучения узкого диапазона спектральной чувствительности, точно совпадающего со спектром излучения пламени. Как правило, максимум излучения пламени - на длине волны 4,4 мкм, что соответствует «свечению» продукта горения - углекислого газа. Однако такой датчик недостаточно чувствителен и надежен, поскольку не учитывает других возможных спектров излучения пламени и фоновых оптических помех.

Патент UK №2281615 (А1) (опубл. 03.09.93) предлагает более сложную комбинацию приемников излучения: наряду с рабочим каналом, настроенным на излучение пламени на 4,4 мкм, введен дополнительный канал на 3,8 мкм, настроенный на излучение посторонних нагретых тел (оптический фон). Сигналы каналов сравниваются. Приемники излучения - пироприемники.

В патенте US №4101767 (опубл. 18.07. 1978 г.) для обнаружения пламени использован спектральный канал с длиной волны 4,4 мкм, а для выделения оптических помех - участки спектра с максимумами чувствительности на волнах 0,76 мкм и 0,96 мкм. Приемники излучения - также пироприемники.

Отметим, что использование для обнаружения и идентификации пламени только диапазона с максимумом излучения на 4,4 мкм не всегда является достаточным, так как в этом спектральном диапазоне сосредоточено не более 1% энергии, излучаемой очагами пожара, а значит, возникают серьезные трудности с обеспечением необходимой дальности обнаружения очага пожара.

Патент US 6064064 (опубл. 16.05.2000) решает проблему «коптящего пламени» - пламени с большим содержанием дымов, например тление. Детектор содержит три приемника излучения: два из них регистрируют излучение от оптических помех в спектральном диапазоне от 0,4 мкм до 0,7 мкм и от 0,7 до 1,1 мкм, а третий, широкополосный, работает в диапазоне 1,1-3,5 мкм и реагирует на излучение пламени. В качестве широкополосного приемника ИК излучения применен фоторезистор из сернистого свинца, с длинноволновой границей чувствительности 3,5 мкм. Для спектральных диапазонов 0,4-0,7 мкм и 0,7-1,1 мкм использованы фотодиоды на основе кремния, настроенные на оптические помехи в видимой и ближней ИК области спектра. Недостаток предложенного решения - ограниченность спектрального диапазона основного канала 3,5 мкм. Это затрудняет идентификацию бездымных очагов пламени. Кроме того, в возможный спектр оптических помех часто включаются помехи, связанные с излучением от нагретых до сравнительно высоких температур посторонних тел, спектральная область излучения которых перекрывается со спектральным диапазоном широкополосного приемника излучения. Это дает ложный сигнал.

Известно предложение формировать необходимые спектральные характеристики чувствительности приемника излучения за счет изменения состава полупроводникового материала. Этим приемник приспосабливается к ожидаемым типам пламени, а сам технологический процесс изготовления фотоприемников рассматривается как составная часть процесса изготовления датчика в целом («Mercury cadmium telluride devices for detecting and controlling open flames»). В патенте US 005920071 (опубл. 06.07.1999) в качестве полупроводникового материала фоторезистора применен КРТ (кадмий-ртуть-теллур). При замещении в составе материала кадмия на ртуть в пределах от 10 до 90 мол.% процентов формируются четыре спектральных диапазона чувствительности с соответствующими им площадками фоточувствительных элементов. Это диапазоны от 3 до 4 мкм, от 4 до 5 мкм, от 5 до 6,7 мкм и от 6,7 до 20 мкм. Такой подход к конструированию датчиков весьма привлекателен. Однако материал КРТ - один из самых нетехнологичных и дорогих из промышленных типов полупроводниковых материалов. Дополнительные сложности возникают из-за того, что многодиапазонность (одновременный прием фоторезистором нескольких спектральных полос) в данном случае решается путем многослойности структуры оптических фильтров, что исключает возможность точной фиксации спектральных диапазонов чувствительности оптических фильтров. Кроме того, предложенный приемник излучения - фоторезистор, для своей работы он требует наличия пульсаций интенсивности излучения пламени, которые сложно отделить от мерцающих оптических помех.

Известен двухканальный цифровой многочастотный детектор пламени, в котором в качестве приемников излучения как пламени, так и оптических помех использованы фоторезисторы из селенида свинца (Patent US 6150659, опубл. 21.07.2000). В этом датчике одновременно осуществляется идентификация пламени по частотным характеристикам источников излучения. В качестве спектрального диапазона канала регистрации пламени выбран диапазон от 4,2 до 4,8 мкм, а для канала регистрации оптических помех выбран диапазон от 2,0 до 2,4 мкм. Поскольку приемники - фоторезисторы, они для своей работы требуют наличия пульсаций интенсивности пламени, для выделения которых на фоне одновременно действующих мерцающих помех существенно усложнена электронная схема обработки сигналов каналов. Кроме того, отсутствие в спектре чувствительности участка от 2,6 до 3,2 мкм исключило возможность регистрации горения веществ, не содержащих углерод. Наконец, при выборе для канала оптических помех диапазона 2,0-2,4 мкм появилась угроза принятия «коптящего пламени» за оптическую помеху.

Известен детектор пламени с наиболее полно примененным методом спектральной селекции («Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system», патент США №5612676, опубл. 18.03.1997). Это инфракрасный многодиапазонный детектор пламени и взрыва, основной канал которого составлен из двух фоточувствительных элементов с узкополосными оптическими фильтрами, при этом спектральная характеристика чувствительности канала сформирована указанными фильтрами и соответствует характерным спектрам излучения пламени и взрыва, а вспомогательный канал составлен из трех фоточувствительных элементов, однородных элементам основного канала, с узкополосными оптическими фильтрами, при этом спектральная характеристика чувствительности канала сформирована указанными фильтрами и соответствует характерным спектрам излучения оптических помех, содержащий схему выделения низкочастотных колебаний излучений и схему логического сравнения выходных сигналов указанных каналов и их низкочастотных колебаний с формированием сигнала о пламени, причем в качестве фотоэлектрических элементов предложены термочувствительные элементы, пироприемники, фоторезисторы из селенида свинца, фотоэлектрические элементы кадмий-теллур, индий-антимонид, германий с ведением золота. В этом двухканальном датчике основной канал имеет два спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,9 мкм и 4,4 мкм, а вспомогательный (фоновый) канал - три спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,2 мкм, 3,8 мкм и 5,6 мкм. Основной канал реагирует преимущественно на пламя, а вспомогательный - преимущественно на оптические помехи. Сравнение сигналов каналов позволяет достаточно уверенно выявить наличие в поле зрения датчика очага пламени. Для обоих каналов выбирают пару однотипных приемников излучения, обладающих чувствительностью в спектральном диапазоне 1,5 - 6,5 мкм. Указанные выше спектральные полосы формируют с помощью узкополосных интерференционных фильтров. Таким образом, одновременно осуществляют спектральный анализ попадающего на детектор внешнего излучения в пяти спектральных диапазонах. Но и в этом датчике, также, как и в предыдущих, не удалось полностью отказаться от принципа частотной селекции и избежать вытекающих из него неприятных последствий. Другая трудность связана с тем, что фоторезисторы, рекомендуемые к использованию, должны охлаждаться жидким азотом. Естественно, что это делает конструкцию датчика громоздкой, сложной, дорогой, ограниченной в сроках непрерывной работы. Использование в качестве приемников излучения термопарных батарей или пироприемников резко снижает быстродействие системы, уменьшает ее чувствительность. В этом случае невозможен режим взрывоподавления. Кроме того, жесткое задание каждого из спектральных рабочих диапазонов каналов не позволяет эффективно адаптировать предлагаемый детектор к разнообразию возможных типов очагов пламени и помех. Так, при выборе максимума чувствительности на 2,2 мкм для одного из спектральных диапазонов вспомогательного канала могут возникнуть сложности в определении наличия очагов пламени, где основным излучающим объектом являются частицы углерода, нагретые до температуры в 1500-2000°С (пожар с коптящим пламенем), а этот вариант пожара на практике встречается чаще остальных. Наконец, по-видимому, из-за перечисленных выше причин не известны конкретные типы датчиков и фирмы, которые использовали бы в своей работе эти изобретения. Тем не менее, именно ЭТО РЕШЕНИЕ - НАИБОЛЕЕ БЛИЗКИЙ АНАЛОГ ЗАЯВЛЯЕМОГО ДЕТЕКТОРА ПЛАМЕНИ И ВЗРЫВА, Т.Е. ЕГО ПРОТОТИП.

Нельзя обойти вниманием еще один тип оптоэлектронного прибора, принципы построения и функционирования которого могут быть использованы для создания датчиков пламени и взрыва. Это матричные преобразователи, которые являются предметом массового исследования важного практического применения для создания на их основе солнечных батарей. Особое место среди них занимают каскадные преобразователи, в которых фотоэлектрические элементы создаются на основе полупроводниковых материалов различного состава (обзор таких работ приводится в монографии Т.Коутса и Дж.Микина «Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики». Москва, Мир, 1988 г.). В одном из вариантов солнечных преобразователей в качестве полупроводниковых материалов для фотоэлектрических элементов, работающих в видимой области спектра, использованы твердые растворы арсенид галлия - фосфор и арсенид галлия - сурьма. При формировании панелей из таких последовательно соединенных элементов существенно расширяется суммарная область спектральной чувствительности преобразователя и, как следствие, увеличивается КПД солнечной батареи. Однако при конструировании датчиков пламени увеличение КПД преобразования не является определяющим фактором. Важно, чтобы сформированные области спектральной чувствительности фотоэлектрических элементов матричного преобразователя соответствовали характерным спектрам излучения очагов пламени и оптических помех. Известные матричные преобразователи не применимы для использования в детекторах пламени без существенного изменения областей их спектральной чувствительности, схем коммутации и формирования выходного сигнала.

Приведенный обзор свидетельствует о том, что известные, рассмотренные выше детекторы не полностью удовлетворяют современным требованиям практики.

Недостаточная надежность. Основные трудности известных решений обусловлены тем, что в качестве, по крайней мере, одного из идентифицирующих принципов пламени принимается принцип частотной селекции. Частота колебаний пламени зависит от размеров очага пожара и при достижении определенных площадей частота колебаний становится меньше 0,1 Гц. Амплитуда нерегулярных колебаний ложного источника (например, отражение солнечных лучей от поверхности морских волн) может многократно превосходить сигнал от пламени. Нагретые вращающиеся движущиеся объекты могут излучать в «мерцающем» режиме и в спектральном диапазоне, совпадающем со спектральным диапазоном пламени. Ясно, что такой способ идентификации не является достаточно надежным. Более того, низкочастотные колебания интенсивности пламени вообще на практике присутствуют далеко не всегда. В частности, при горении газовых горелок в паровых котлах, металлургических печах, в бытовых приборах для обеспечения максимального КПД добиваются максимально стабильного факела. В этом случае контроль наличия пламени с использованием частотного принципа невозможен. По этой же причине трудно обнаружить тлеющие очаги пожара.

Недостаточное быстродействие. Применяемые (описанные) детекторы не могут применяться для подавления взрывов. Все детекторы пламени, использующие в качестве приемника излучения пироприемники, обнаруживают пламя за время до 20 секунд. Специальные режимы настройки этих датчиков позволяют снизить время срабатывания до 25-30 мс, но ценой резкого снижения чувствительности и помехозащищенности. Как известно, скорость распространения огневого фронта, например, при дефлаграционном взрыве достигает 1500 м/с и при такой скорости срабатывания в зоне воздействия взрыва окажутся уже тысячи квадратных метров.

Узкие функциональные возможности. Проведенный анализ промышленной продукции, производимой по рассмотренным выше патентам или их аналогам, показал, что производство большинства из них имеет узкую специализацию и ориентировано на одно из каких-либо возможных практических применений, эксклюзивно по своей конструкции, функциональным и эксплуатационным характеристикам, а потому ограничено в масштабах производства.

Все сказанное выше заставляет обратить серьезное внимание на другой принцип идентификации - на принцип спектральной селекции в варианте, не связанном с необходимостью дополнения его принципом частотной селекции. Однако для реализации этого варианта требуется комплектовать датчики специальными приемниками излучения, которые для своей работы не требуют модуляции интенсивности излучения. Тогда оказывается возможным избежать недостатков, являющихся следствием применения частотного принципа. Одновременно необходимо решить проблему многофункциональности датчиков, адекватности их характеристик разнообразным условиям применения, а также обеспечить возможность их массового производства при обеспечении высоких параметрических характеристик и высокой надежности.

ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачи изобретения:

- повышение надежности (достоверности срабатывания, помехоустойчивости, взрывобезопасности, возможность проверки работоспособности контрольными имитаторами пламени, спектр излучения которых адекватен источникам пожара);

- расширение функциональных возможностей (обнаружение неколеблющегося пламени, пламени газовых факелов, тления древесины и хлопка, очагов пожара большой площади, быстродействие - возможность реагирования на первичные фазы взрывного процесса);

- универсальность (возможность адаптации спектральных характеристик детектора к ожидаемому виду возгорания и вероятным видам оптических помех);

- увеличение чувствительности по отношению к очагам пожара, образующимся при горении древесины, полимерных материалов и горюче-смазочных материалов;

- удешевление и возможность массового изготовления и использования.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ (РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИЗОБРЕТЕНИЯ).

Для решения поставленных задач авторы провели глубокие исследования и разработали новый, не применявшийся для детекторов пламени фотоэлектрический полупроводниковый элемент на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6, например селенида свинца, и соединений группы А2В6, например селенида кадмия. Предложенный элемент является фотогенератором, т.е. непосредственно преобразует излучение от очагов пожара и первичных фаз взрыва в фото ЭДС, не требует для своей работы внешних источников электропитания и низкочастотных колебаний пламени. Применение такого фотоэлектрического элемента позволило повысить чувствительность датчика, его надежность, уменьшило энергопотребление, расширило функциональные возможности.

Исследования предложенного фотоэлектрического элемента выявили его наиболее технологичную, недорогую и удобную для датчиков форму - в виде тонких поликристаллических слоев, в которых потенциальный барьер, определяющий появление фото ЭДС, сформирован в виде МОП структуры, а также установили зависимость положения максимума и длинноволновой границы спектральной чувствительности от концентрации селенида кадмия в твердом растворе селенида свинца и селенида кадмия. Все это позволило существенно упростить формирование спектральных характеристик оптических каналов извещателя и логических схем обработки сигналов.

Для оптимизации состава фотоэлектрических элементов и режимов работы детекторов определены характерные спектры шести основных типов очагов пожара (в соответствии с ГОСТ Р 50808-96) - Таблица 1 и наиболее вероятных типов оптических помех - Таблица 2. С учетом этих знаний и появившихся технологических возможностей рассмотрены варианты формирования спектральных характеристик чувствительности основного и вспомогательного каналов детекторов с использованием предложенных фотоэлектрических элементов, адекватных ожидаемым типам очагов пожара и оптических помех, т.е. имеющих в заданных условиях эксплуатации наибольшую чувствительность и помехозащищенность.

В дополнение к этому на основе предложенных фотоэлектрических элементов, оптических фильтров и не применявшихся ранее схем логической обработки сигналов разработан новый матричный многоспектральный (многодиапазонный) полупроводниковый преобразователь, который явился основным функциональным элементом детектора. В результате произведенных исследований:

Поставленные задачи решены тем, что для повышения надежности, быстродействия, взрывобезопасности, а также упрощения, снижения габаритов, энергоемкости, стоимости в известный многодиапазонный инфракрасный детектор пламени и взрыва, основной оптический канал которого составлен из одного или нескольких фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует характерным спектрам излучения пламени и взрыва, а вспомогательный оптический канал составлен из одного или нескольких фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует характерным спектрам излучения оптических помех, содержащий схему логического сравнения выходных сигналов указанных каналов с формированием сигнала о пожаре, внесены существенные изменения и дополнения:

- фотоэлектрические элементы выполнены из полупроводникового материала на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6 и группы А4В6, например из селенида свинца и селенида кадмия.

Для повышения надежности, технологичности и снижения стоимости детектора твердые растворы химических соединений группы А4В6 и А2В6, используемые для фотоэлектрических элементов, применены в виде тонких поликристаллических слоев, в которых потенциальный барьер, определяющий появление фото ЭДС, сформирован в виде планарного р-n перехода, барьера Шоттки или МОП-структуры.

Для обеспечения соответствия спектральных диапазонов чувствительности фотоэлектрических элементов детектора спектрам излучения различных типов очагов пожара концентрация химических соединений группы А2В6 в твердом растворе А4В6-А2В6 задается значением, лежащем в пределах от 0,1 до 20 моль %, при этом коротковолновая граница их спектральной чувствительности определяется коротковолновой границей пропускания установленных перед ними оптических фильтров.

Для повышения надежности и упрощения конструкции детектора выходные напряжения основного и вспомогательного каналов сформированы за счет последовательного электрического соединения фотоэлектрических элементов в каждом канале и соответствующего суммирования фото ЭДС, вырабатываемых этими элементами, а схема логического сравнения выполнена в виде схемы вычитания выходных напряжений каналов, при этом критерием сигнала от очага пожара или взрыва является превышение напряжения основного канала над напряжением вспомогательного канала.

Для уменьшения габаритов, снижения цены и повышения надежности детектора основной и вспомогательный каналы, а также схема сравнения могут быть сформированы на базе единого инфракрасного полупроводникового многодиапазонного матричного преобразователя, составленного из фотоэлектрических элементов с установленными перед ними оптическими фильтрами, причем концентрацией материала А2В6 в твердом растворе А2В6-А4В6, например, селенида кадмия в твердом растворе селенида свинца и селенида кадмия, и полосой пропускания оптического фильтра фотоэлектрических элементов в основном канале сформирована спектральная характеристика чувствительности, соответствующая характерному спектру излучения очага пожара и взрыва, а в вспомогательном канале - спектральная характеристика чувствительности, соответствующая характерному спектру излучения оптической помехи.

Для упрощения конструкции детектора, расширения его функциональных возможностей и удешевления производства матрица преобразователя может содержать две панели элементов. Первая, основная панель, соответствует основному оптическому каналу датчика и образована фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одного или нескольких типов очагов пожара и взрыва, а вторая, вспомогательная панель, соответствует вспомогательному оптическому каналу датчика и образована фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одной или нескольких оптических помех, например спектру излучения солнца, искусственных источников света, электросварки, отопительных батарей и нагревательных приборов.

Для повышения технологичности и надежности и уменьшения габаритов детектора схема логического сравнения может быть выполнена в виде внутреннего последовательного электрического соединения фотоэлектрических элементов каждой панели, обеспечивающего суммирование их фото ЭДС, и последующего электрического соединения панелей, обеспечивающего вычитание суммарных фото ЭДС основной и вспомогательной панелей, осуществляя таким образом сравнение сигналов основного и вспомогательного каналов.

Для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно древесины, полимерных материалов, горюче-смазочных материалов и легковоспламеняющихся жидкостей с выделением дыма, фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 1,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,9 мкм.

Для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно легковоспламеняющихся жидкостей без выделения дыма, использованы два типа фотоэлектрических элементов в основном канале детектора, один из которых выполнен с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль % и коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 4,2 мкм, а второй выполнен с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 10±1,0 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 2,6 мкм. При этом максимумы чувствительности находятся соответственно у 4,4 мкм и 2,9 мкм.

Для обнаружения очагов пожара типа преимущественно тления древесины и хлопка фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 3,2 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 3,8 мкм.

Для обнаружения очагов пожара типа горения преимущественно химических веществ, не содержащих углерод, фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 10±2 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 2,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,9 мкм.

Для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,6-2,6 мкм, например от электрических ламп накаливания, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3,0 моль % и полосой пропускания оптического фильтра от 1,6 мкм до 2,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,3 мкм.

Для обнаружения оптических помех со спэктром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 3,2-4,2 мкм, например от отопительных батарей и нагревательных приборов, от электрических ламп накаливания, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль %, и коротковолновой границей пропускания оптического фильтра у 3,2 мкм. При этом максимум спектральной чувствительности находится у 3,8 мкм.

Для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,0 мкм - 1,4 мкм, например от солнца, искусственных источников света, электросварки, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3,0 моль %, и полосой пропускания оптического фильтра от 1,4 мкм до 1,0 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 1,2 мкм.

Для повышения надежности и достоверности работы детектора в его конструкцию может быть дополнительно введен контрольный (тестирующий) фотолюминесцентный излучатель, размещенный перед входным окном датчика. Спектр излучения контрольного излучателя согласован со спектрами излучения пламени и взрыва, для обнаружения которых предназначен датчик. Излучающий элемент, так же как и фотоэлектрические элементы, изготовлен из полупроводникового материала на основе твердого раствора селенида свинца и селенида кадмия, а источником первичного коротковолнового излучения является, например, светодиод из арсенида галлия.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.

Сущность изобретения поясняют приведенные ниже 5 таблиц и 6 фигур:

таблица 1 - Характерные спектры излучения основных типов очагов пожара (по ГОСТ Р 50808-96);

таблица 2 - Характерные спектры излучения основных типов оптических помех;

таблица 3 - Примеры комбинаций фотоэлектрических элементов с фильтрами, обеспечивающих адекватную реакцию детектора в зависимости от типа очага пожара;

таблица 4 - Рекомендуемые виды спектров излучения контрольного излучателя в зависимости от типа пламени, для обнаружения которого предназначен детектор;

таблица 5 - Сравнение характеристик предлагаемых детекторов и зарубежных аналогов;

фиг.1 - зависимость относительной спектральной характеристики чувствительности (ОСЧХ) предложенного фотоэлектрического элемента от концентрации селенида кадмия в твердом растворе;

фиг.2 - относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСЧХ) базовых фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами;

фиг.3 - пример расположения фотоэлектрических элементов в матричном преобразователе детектора;

фиг.4 - пример построения детектора;

фиг.5 - пример конструкции контрольного излучателя детектора;

фиг.6 - относительные спектры излучения контрольного излучателя (ОСИКИ) детектора в зависимости от концентрации селенида кадмия.

На фигурах приняты следующие обозначения:

1, 2 - фотоэлектрические элементы основного канала детектора, 3, 4 - фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора, 5 - контактные площадки для внутренней коммутации фотоэлектрических элементов, 6 - контактные площадки для внутренней коммутации каналов детектора, 7 - контактные площадки - торцы внешних выводов, 8 - держатель с ячейками для фотоэлектрических элементов и оптических фильтров, 9 - корпус матричного преобразователя, 10 - коммутационная плата, 11 - коммутационные провода, 12-15 - оптические фильтры, 16 - входное окно детектора, 17 - внешние выводы преобразователя детектора, 18 - колпачок, 19 - корпус контрольного излучателя детектора, 20 - светодиод для накачки, 21 - фотолюминесцентный слой, 22 - крышка контрольного излучателя детектора, 23 - выходное окно контрольного излучателя, 24 - внешние выводы излучателя, 25 - контактные площадки, 26 - контактные проводники.

Изготовить фотоэлектрические элементы из полупроводниковых материалов на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6, например селенида свинца, и группы А2В6, например селенида кадмия, а также контрольные фотолюминесцентные излучатели того же типа можно с применением типовых технологических приемов, принятых в микроэлектронике. Это - вакуумное нанесение на диэлектрическую подложку поликристаллических пленок из полупроводниковых материалов, традиционные методы легирования при синтезе материала или легирование сформированных поликристаллических слоев из паровой или жидкостной фаз при получении р-n переходов, нанесение металлических слоев при получении МОП-структур, групповые методы изготовления фотоэлектрических элементов, их сборка, герметизация и измерение параметров. В частности, синтез твердых растворов материалов группы А2В6 и А4В6 осуществляется методом сплавления чистых исходных элементов в вакууме в замкнутом объеме при предварительной очистке исходного материала методом зонной плавки. Более подробно эта технология изложена, например, в патенте Горбунова Н.И., Дийкова Л.К., Варфоломеева С.П., и др. «Фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и октрон на их основе» (патент №37575, приоритет от 05,02,2004), в статьях Горбунова НИ., Дийкова Л.К. и др.. «Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры» (журнал «Компоненты и технологии» №6, 2004 г.) и Горбунова Н.И., Дийкова Л.K. и др. «Новые оптоэлектронные датчики пламени» (журнал «Электроника» №2, 2005 г.).

Концентрации вводимых в селенид свинца добавок можно контролировать методом эмиссионного спектрального анализа, электронного спектрального химического анализа и вторично-ионной масс-спектрометрии, а содержание основных компонентов - селена и свинца - методом рентгенфлуоресцентного анализа. Заявленные пределы концентраций вводимых, например, в полупроводниковый материал селенида кадмия обусловлены следующими факторами: при концентрации селенида кадмия меньше, чем 0,1 моль % изменение ширины запрещенной зоны полупроводникового материала незначительно и незначительно изменение положения длины волны максимума спектральной чувствительности. Из-за ограничения растворимости селенида кадмия в селениде свинца со стороны селенида свинца введение добавки, превышающей 20 моль %, является нецелесообразным, поскольку при таких концентрациях уже не образуются твердые растворы этих соединений.

При этом количество затрачиваемого материала, его малая стоимость, возможность использования групповых технологий, принятых в микроэлектронике, их простота и высокий процент выхода годных изделий позволило организовать высокоэффективное и малозатратное серийное производство фотоэлектрических элементов для многодиапазонных преобразователей детекторов из материалов на основе твердых растворов селенида свинца и селенида кадмия. Кроме того, простота обработки сигналов фото ЭДС, достигаемая за счет внутренней коммутация таких фотоэлектрических элементов, упрощает электронную схему обработки и процесс настройки детектора. Все перечисленное выше позволяет также организовать массовое производство дешевых детекторов пламени с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, которые могут конкурировать по масштабам применения с детекторами дыма и тепла. Обеспечению высокой надежности также способствует применение фотоэлектрического элемента, для работы которого не требуется напряжение питания - основного источника и причины деградации свойств фотоэлементов.

Пример конструкции основных функциональных элементов детектора представлен на фиг.3, 4, 5. На подобную конструкцию в целом заявитель имеет патент «Извещатель пожарный пламени многодиапазонный» (патент РФ №53744 с приоритетом от 18.06.2002 г., заявитель ОАО НИИ «Гириконд», авторы Л.К.Дийков, А.Л.Буркин и др.)

Фотоэлектрические элементы основного (1, 2) и вспомогательного (3, 4) каналов закреплены в держателях 8 с ячейками для установки указанных фотоэлектрических элементов и оптических фильтров 12-15 на коммутационной плате 10, размещенной в корпусе детектора 10. На коммутационной плате 10 нанесены металлизированные контактные площадки 5, 6, 7 для внутренней коммутации проводами 11 фотоэлектрических элементов каналов, каналов и внешних выводов соответственно. Корпус имеет входное окно 16. Внутренняя коммутация фотоэлектрических элементов каналов, каналов и внешних выводов осуществлена приваркой коммутационных проводов 11 к заранее выбранным контактным площадкам 5-7 на коммутационной плате 10. Возможен и такой конструктивный вариант, когда функцию контактных площадок 5-7 выполняют торцы внешних выводов корпуса 9 по числу, равному числу контактных площадок. В этом случае коммутация фотоэлектрических элементов 1-4 может осуществляться и вне корпуса детектора. Фотоэлектрические элементы 1 и 2 образуют основную панель матрицы детектора, а фотоэлектрические элементы 3 и 4 образуют вспомогательную панель. Основная и вспомогательная панель электрически соединены проводом 11.

Вид сверху на размещение фотоэлектрических элементов 1-4 на коммутационной плате 10 представлен на фиг.3. Они образуют четырехэлементную матрицу и расставлены по квадрату в ячейках держателя 8, установленного на коммутационной плате 10. Контактные площадки 7, являющиеся торцами выходных выводов 17, с помощью контактных проводов 11 электрически соединены с панелями матрицы детектора через контактные площадки 6. Выходные выводы 17 электрически соединены с электронными элементами, расположенными на печатной плате датчика. Возможна установка световой индикации о том, что детектор включен, о режиме «пожар» и о неисправности детектора.

Электрические сигналы основного и вспомогательного каналов в детекторе формируются несколькими соединенными последовательно фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характерным спектрами ожидаемых типов пламени и оптических помех. Превышение сигнала основного канала (основной панели) над сигналом от вспомогательного канала свидетельствует о наличии очага пожара.

Заявитель выявил зависимость длины волны максимума спектральной чувствительности фотоэлектрического элемента от концентрации селенида кадмия в твердом растворе (фиг.1) и использовал ее для формирования спектральной характеристики элементов детектора. При этом коротковолновые границы их спектральной чувствительности определяются коротковолновыми границами пропускания установленных перед фотоэлектрическими элементами оптических фильтров.

В зависимости от условий эксплуатации детектора его оптические каналы могут формироваться из одного, двух, трех фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами. При необходимости увеличения чувствительности на каком-либо из выделенных участков спектра возможно последовательное соединение одинаковых фотоэлектрических элементов с одинаковой ОСХЧ.

Характерные спектры пламени и помех представлены в таблицах 1 и 2.

Табл.1. - Характерные спектры излучения основных типов очагов пожара (по ГОСТ Р 50808-96)ТипТП-1ТП-2ТП-3ТП-4ТП-5, взрывТП-6
взрывДругое взрывИсточник пожараГорение древесиныТление древесиныТление хлопкаГорение полимерных материаловГорение ЛВЖ и ГСМ с выделением дымаГорение ЛВЖ без выделения дымаГорение веществ, не содержащих углеводородов, взрывДлина волны максимума излучения,2,9 мкм4,4 мкм,
3,8 мкм4,4 мкм,
3,8 мкм2,9 мкм2,9 мкм4,4 мкм,
2,9 мкм2,9 мкм№ОСХЧ базового элемента31 и 41 и 4331 и 33

Таблица 2 - Характерные спектры излучения основных типов оптических помехИсточник оптической помехиЭлектролампы накаливанияСолнце, электросварка, люминесцентные лампыНагретые телаДлина волны максимума излучения, мкм21,23,8№ОСХЧ базового элемента564

Заявитель разработал шесть базовых фотоэлектрических элементов с фильтрами, комбинацией которых можно охватить наиболее востребованные случаи применения детекторов пожара на фоне типичных оптических помех. На фиг.2 приведены их относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСЧХ). В таблице 3 даны комбинации последовательных соединений базовых фотоэлектрических элементов с фильтрами в основном и вспомогательное каналах, соответственно, обеспечивающих адекватную реакцию детектора на пламя или взрыв при наличии оптических помех.

Таблица 3
Примеры комбинаций фотоэлектрических элементов с фильтрами, обеспечивающих адекватную реакцию детектора в зависимости от типа очага пожара.№ Тип очага пожара по ГОСТ Р 50808-96Номер вида ОСЧХ базовых фотоэлектрических элементов согласно фиг 1№1№2№3№4№5№61ТП-1, ТП-4, ТП-5, взрыв +    2ТП-2, ТП-3+  +  3ТП-6, взрыв+ +   4Горение веществ, не содержащих углеводородов, взрыв  +   5Оптические помехи: излучение солнца, люминесцентных ламп, электросварки     +6Оптические помехи: излучение нагретых тел и ламп накаливания   ++ 

Характерные горюче-смазочные материалы (ГСМ), горящие с выделением дыма (ТП-5): дизельное топливо и бензины, топливо для реактивных двигателей, трансформаторное масло и рабочие масла компрессоров и насосов.

Характерные виды легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), горящих без выделения дыма (ТП-6): метан, этан, пропан, бутан, спирты - метанолы, этанолы, пропанолы, ацетон.

Характерные легковоспламеняющиеся вещества (ЛВЖ), не содержащие углерода: водород, аммиак, гидразины, азид натрия и другие, у которых излучающим продуктом горения являются пары воды.

Ниже приведены часто используемые варианты выбора и коммутации базовых фотоэлектрических элементов 1-4 с оптическими фильтрами 12-15 для получения заданной ОСЧХ. При этом базовые элементы каждого канала (панели) с учетом знака фото ЭДС соединены последовательно, а каналы (панели) - встречно. Для обнаружения горения горюче-смазочных материалов, без выделения дыма, например метана, этана, пропана, бутана, спиртов, при наличии в поле зрения детектора высокотемпературных объектов, излучения солнца и ламп накаливания (очаг пожара типа ТП-6): базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №1 и с ОСЧХ №3, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №4 и с ОСЧХ №6.

Для обнаружения горения древесины, полимерных соединений и горюче-смазочных материалов с выделением дыма при наличии в поле зрения детектора нагретых тел большой площади и излучения солнца (очаги пожаров вида ТП-1, ТП-4.ТП): базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №2 и с ОСЧХ №2, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №4 и с ОСЧХ №6.

Для обнаружения очага пожара типа ТП-2 и ТП-3 (например, тление древесины и хлопка) при наличии в поле зрения детектора электрических ламп накаливания и излучения от электросварки: базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №1 и с ОСЧХ №4, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №5 и с ОСЧХ №6.

Для обнаружения очага пожара, в котором горючие вещества не содержат углерода, а в поле зрения детектора может попадать излучение от солнца и ламп накаливания: базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №3 и с ОСЧХ №3, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №5 и с ОСЧХ №6

Заметим, что увеличение концентрации селенида кадмия, вводимого в полупроводниковый материал, позволяет не только управлять положением длинноволновой границы в спектральной характеристике фотоэлектрических элементов и положением спектров излучения контрольных излучателей, но и существенным образом способствует увеличению, соответственно, их чувствительности и излучательной способности, что видно из фиг.1 и фиг.6.

Детектор работает следующим образом (фиг.3, 4).

Излучение от очагов пламени, взрыва и от оптических помех, находящихся в поле зрения детектора, через входное окно 16 преобразователя детектора попадает на группу фотоэлектрических элементов 1-4, размещенных в держателе 8 с ячейками, при этом перед фотоэлектрическими элементами установлены оптические фильтры 12-15. Внешнее излучение не может попасть в каждую ячейку иначе, как только пройдя через соответствующий ей оптический фильтр. При этом каждый фотоэлектрический элемент 1-4 генерирует фото ЭДС, величина которой пропорциональна мощности излучения внешнего оптического сигнала и на прием которого настроен данный фотоэлектрический элемент с фильтром. По предварительной заявке потребителя детекторы изготавливаются для обнаружения предполагаемых типов очагов пожара и ожидаемых оптических помех. С учетом этого, как мы описали выше, осуществлен выбор фотоэлектрических элементов 1-4, фильтров 12-15 и осуществлена коммутация их с использованием контактных площадок 5-7 и коммутационных проводов 11. Электрические сигналы (фото ЭДС) от фотоэлектрических элементов 1,2 основного канала (основной панели) суммируются и суммарное значение фото ЭДС будет пропорциональным интенсивности излучения от очага пожара или взрыва. В свою очередь электрические сигналы (фото ЭДС) от фотоэлектрических элементов 3 и 4 вспомогательного канала (вспомогательной панели) суммируются и суммарное значение фото ЭДС будет пропорциональным интенсивности излучения от оптических помех. Суммарные сигналы от основного и вспомогательного каналов с использованием контактных площадок 6 и коммутационного провода 11 вычитаются за счет их встречной коммутации. В результате на контактных площадках 7 и внешних выводах 17 датчика образуется электрический сигнал, который подается для последующего усиления и включения контрольных, сигнальных или исполнительных устройств. Если сигнал основного канала больше сигнала вспомогательного канала - детектор срабатывает. Он обнаруживает очаг пожара как на фоне оптических помех, так и при их отсутствии. Когда сигнал основного канала меньше вспомогательного - детектор не срабатывает. Значит нет пламени или оно невелико по сравнению с оптическим фоном.

На фиг.5 приведен пример конструкции контрольного излучателя, который выполнен следующим образом: к корпусу 19 с помощью теплопроводящего клея приклеен коротковолновый излучающий элемент - светодиод 20 для «накачки». Контактные площадки 25 светодиода 20 посредством проводников 26 соединены с электрическими вводами 24. На излучающую поверхность светодиода 20 прозрачным для излучения клеем приклеен длинноволновый излучающий элемент - фотолюминесцентный слой 21. На корпус 19 с приклеенными к нему излучающими элементами 20 и 21 одета крышка 22 с окном 23 из материала, прозрачного в спектральном диапазоне 1-4,8 мкм.

Для максимального приближения спектров излучения контрольного излучателя к спектральным характеристикам возможных источников пламени в качестве излучателя применен фотолюминесцентный излучатель 21 на основе твердого раствора селенида свинца и селенида кадмия, возбуждаемый светодиодом 20 из арсенида галлия, т.е. излучатель выполнен на основе тех же полупроводниковых материалов, что и фотоэлектрические элементы датчика.

Выходное окно 23 контрольного излучателя расположено перед входным окном 16 детектора и излучает в спектральном диапазоне, согласованном со спектральной характеристикой чувствительности фотоэлектрических элементов основного канала, реагирующих преимущественно на излучение очага пожара. Таким образом, реализуется имитатор пламени с оптическими характеристиками, максимально приближенными к ожидаемому виду возгорания. Одновременно осуществляется проверка загрязнения входного окна детектора и работоспособность электронной схемы.

Контрольный излучатель работает следующим образом. При подаче через электрические вводы 24, проводники 26 на контактные площадки 25 постоянного или импульсного напряжения величиной 2-2,5 В светодиод 20 начинает излучать в спектральном диапазоне 0,8-0,9 мкм. Это излучение попадает на фотолюминесцентный слой 21 из полупроводникового материала на основе твердых растворов селенида свинца - кадмия и возбуждает излучение в спектральном диапазоне, совпадающем с областями спектральной чувствительности фотоэлектрических элементов и спектрами излучения пламени. При последующем попадании этого излучения на входное окно 16 детектора и фотоэлектрические элементы 1,2 основного канала осуществляется проверка его работоспособности.

Спектр излучения контрольного излучателя детектора может быть изменен путем изменения концентрации селенида кадмия в твердом растворе (фиг.6), что используется в датчиках, настроенных на обнаружение определенных типов очагов пожара.

В таблице 4 приведены рекомендуемые относительные спектры излучения контрольного излучателя в зависимости от типа очага пожара, для обнаружения которого предназначен детектор. Номера рекомендаций соответствуют фиг.6. Технология изготовления и характеристики контрольного излучателя аналогичны приведенным в патенте РФ №37575 (приоритет от 05.02.2004) или в статье Горбунова Н.И., Дийкова Л.К., Варфоломеева С.П., Медведева Ф.К. «Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры» (журнал «Компоненты и технологии», №6 2004 г.).

Таблица 4 - Рекомендуемые виды относительных спектров излучения контрольного излучателя (ОСИКИ) в зависимости от типа очага пожара, для обнаружения которого предназначен детектор (согласно фиг.6)№Тип очага пожара по ГОСТ Р 50808-96Номер вида СИФИ фотолюминесцентного излучателя согласно фиг.6№1№2№311ТП-1, ТП-4, ТП-5, взрыв  +22ТП-2, ТП-3 + 33ТП-6+  34Горение веществ, не содержащих углеводородов, взрыв  +

ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬ

Заявленные инфракрасные многодиапазонные детекторы пламени и взрыва детально исследованы заявителем в лабораторных условиях и освоены им в серийном производстве. В ОАО «НИИ «Гириконд» впервые в отечественной и зарубежной практике для детекторов пожара было реализовано техническое решение, когда приемный оптический блок, обнаруживающий инфракрасное излучение от очагов пожара и оптических помех, и электронный блок первичной обработки сигналов, обрабатывающий электрические сигналы от приемного оптического блока и выдающий сигнал о пожаре, выполнены в едином малоразмерном матричном инфракрасном многодиапазонном двухпанельном неохлаждаемом преобразователе, в котором в качестве фотоэлектрических элементов использованы тонкопленочные поликристаллические МОП-структуры на основе твердых растворов группы А2В6 и А2В4, и когда изготовление таких фотоэлектрических элементов и преобразователей явилось одним из элементов технологии производства детектора в целом.

Алгоритм процесса разработки детектора для конкретного объекта обеспечения пожаро-взрывобезопасности предусматривает: анализ возможности возникновения пожара или взрыва в охраняемом объекте, прогнозирование наиболее вероятных видов очагов пожара или взрыва, выявление площадей на территории защищаемого объекта, подлежащих защите от возможного возникновения взрыва или пожара, разработка проекта системы обеспечения пожаро-взрывобезопасности объекта, изготовление детекторов с характеристиками, обеспечивающими их адаптацию к возможным реальным угрозам пожара или взрыва на защищаемом объекте.

Именно такая схема действует на предприятии ОАО «НИИ «Гириконд». Освоенное производство детекторов обеспечивает в настоящее время годовой объем выпуска, превышающий 10000 шт. В частности, это детекторы типа «НАБАТ» (ИП-332 1/1, ИП-332 1/2 СК, ИП-332 1/3). При их разработке и производстве в полной мере использован спектральный метод идентификации, что стало возможным благодаря использованию фотоэлектрических элементов, изготовленных на основе твердых растворов материалов группы А2В6 и А2В4, в едином малоразмерном матричном инфракрасном многодиапазонном двухпанельном неохлаждаемом преобразователе. При этом удалось решить целый ряд технических проблем, преодоление которых до последнего времени было затруднено или невозможно.

Главной проблемой рассматриваемого технического направления является разнообразие требований, постоянно возникающих со стороны потребителя, которому нужны дешевые малогабаритные надежные датчики, полностью адаптированные к конкретным условиям эксплуатации, и которые следует применять не только на стратегически важных объектах, но и всюду, где возможно появление очагов пожара и имеется вероятность взрыва. В то же время вопросы оптимальной адаптации обычно решаются путем создания многочисленных вариантов конструкций и типов детекторов со специфическими и жестко определенными параметрами. Если учесть, что у большинства из них энергопотребление доходит до 10-15 Вт, масса до 6,5 кг, а стоимость до 2000 долларов, то становится ясным, что их массовое использование является невозможным.

В таблице 5 приведено сравнение параметров заявленных и зарубежных детекторов пожара, получивших наибольшее распространение на отечественном и зарубежных рынках.

Таблица 5
Сравнение характеристик предлагаемых и зарубежных детекторов пожараСВОЙСТВА извещателяDet-tronicsDet-tronicsDet-tronicsSiemens, Cerberus DivisionSpectrex Inc Cedar rove NJНИИ «Гириконд»Тип датчикаU7602 UVU7698 IRU7652 UV/IRS121,122 IR20/201
IR³НАБАТ
ИКТип приемника излученияФотоэлемент УФ-излученияПироприемникФотоэлемент УФ-излучения, ПироприемникПироприемникПироприемникПолупроводниковый многодиапазонный фотоэлементСпектральный диапазон, мкм
Принцип идентификации0,18-0,24
колебание пламени4,2-4,7
колебание пламени0,18-0,24
4,45
колебание пламени4,4
4,2-4,7
колебание пламени4,0-5,0
колебание пламениСогласно таблице 4 Спектральная селекцияЧувствительность к очагу пожара вида ТП-1, ТП-4, ТП-5, метров6-276-251518-256025-60Чувствительность к очагу пожара вида ТП-2, ТП-3НЕТНЕТНЕТНЕТНЕТДАВзрывоподавление,
Быстродействие, мсОграничено
30Ограничено
30Ограничено
30НЕТ 3000НЕТ 5000ДА 0,1Чувствительность к горению веществ, не содержащих СДАНЕТНЕТНЕТНЕТДАУстойчивость к модулированном у ИК-излучениюДАНЕТДАНЕТНЕТДАУстойчивость к солнечной засветке или электросваркеНЕТДАДАДАДАДАСпособность регистрации пламени газовой горелкиНЕТНЕТНЕТНЕТНЕТДАТестирование работоспособностиНЕТНЕТНЕТНЕТНЕТДАПотребляемая мощность, Вт2-4,52-4,52-550 мВт430 мВтМасса, кг,4,54,546,323,50,3Рабочий температурный диапазон, С-40÷+75
(125)-40÷+75
(125)-40÷+75
125)-20÷+75
(100)-40÷+75
(100)-60÷+80
(90)Вид и уровень взрывозащиты Взрывонепроницаемая оболочка (ВО) или искробезопасная цепь (ИЦ)1E_xdIIBT6
ВО1E_xdIIBT6
ВО1E_xdIIB+ Н₂Т6
ВО-1E_xdIIB+
Н₂Т6
ВО1Е_xibIIСТ6
ИЦСтепень защиты оболочкойIP66IP66IP66- IP67

Из таблицы 5 следует - заявленные детекторы по большинству характеристик (надежность габариты, чувствительность, быстродействие, помехоустойчивость, энергопотребление, диапазон температур) превосходят известные. К тому же заявленные детекторы обладают гораздо большей вариативностью по формированию заданных спектральных характеристик чувствительности фотоэлектрических элементов, а значит, в большей мере приспособлены к разнообразию условий их применения.

Некоторые из их модификаций в настоящее время успешно используются на десятках предприятий России и СНГ.

Таким образом, по нашему мнению, заявленный детектор соответствует всем требованиям, предъявляемым к изобретению - он нов, неочевиден и промышленно применим.

Изобретение относится к оптическим детекторам пожара и взрыва, преобразующим инфракрасное излучение от очагов пожара, открытого пламени или взрыва в электрический сигнал. Технический результат - повышение надежности, быстродействия и чувствительности детектора, обеспечение адаптации к виду возгорания и видам оптических помех, а также - удешевление и обеспечения возможности массового производства. Новым является использование фотогальванических приемников излучения, выполненных из твердого раствора, образованного введением селенида кадмия в селенид свинца. Разработаны шесть базовых фотоэлектрических элементов с фильтрами, комбинацией которых можно оптимально детектировать типичные виды пламени на фоне наиболее характерных оптических помех. 14 з.п. ф-лы, 5 табл., 6 ил.

1. Инфракрасный многодиапазонный детектор пламени и взрыва, основной оптический канал которого составлен из одного или нескольких приемников излучения с оптическими фильтрами, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характерным спектрам излучения очагов пожара и взрыва, а вспомогательный оптический канал составлен из одного или нескольких приемников излучения с оптическими фильтрами, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характерным спектрам излучения оптических помех, содержащий схему логического сравнения выходных сигналов указанных каналов с формирователем сигнала о пожаре, отличающийся тем, что использованы фотогальванические приемники излучения, которые выполнены из твердого раствора, образованного введением селенида кадмия в селенид свинца.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что твердый раствор, используемый для изготовления приемника излучения, применен в виде тонкого поликристаллического слоя, в котором потенциальный барьер, определяющий появление фотоЭДС, сформирован в виде планарного р-n перехода, барьера Шоттки или МОП-структуры.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что длина волны максимума и длинноволновая граница спектральной чувствительности каждого фотогальванического приемника определена концентрацией селенида кадмия в указанном твердом растворе в пределах от 0,1 до 20 мол.%, а коротковолновая граница его спектральной чувствительности определена коротковолновой границей пропускания установленного перед ним оптического фильтра.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходные напряжения основного и вспомогательного каналов сформированы последовательным соединением выходов фотогальванических приемников в каждом канале, а схема их логического сравнения выполнена в виде схемы вычитания выходных напряжений каналов, при этом критерием сигнала пламени или взрыва выбрано превышение напряжения основного канала над напряжением вспомогательного канала.5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его основной и вспомогательный каналы сформированы в виде одного инфракрасного полупроводникового многодиапазонного матричного преобразователя, составленного из приемников излучения с установленными перед ними оптическими фильтрами, при этом концетрацией селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен каждый приемник излучения, и полосой пропускания оптического фильтра, установленного перед ним, сформирована спектральная характеристика чувствительности, соответствующая характерному спектру излучения пламени и взрыва или характерному спектру излучения оптической помехи.6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что матричный преобразователь содержит две панели элементов, первая панель образована приемниками излучения с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одного или нескольких типов пламени и взрыва, а вторая панель образована приемниками излучения с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одной или нескольких оптических помех, например излучения солнца, искусственных источников света, электросварки, отопительных батарей и нагревательных приборов.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что схема логического сравнения выполнена в виде внутреннего последовательного соединения приемников излучения каждой панели и встречного соединения суммарных сигналов панелей.8. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно древесины, полимерных материалов, горюче-смазочных материалов и легковоспламеняющихся жидкостей с выделением дыма, концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен приемник излучения основного канала, выбрана в пределах (20±3) мол.%, а коротковолновая граница пропускания оптического фильтра 1,6 мкм.9. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно легковоспламеняющихся жидкостей без выделения дыма концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен один приемник излучения основного канала, выбрана в пределах (0,1±0,02) мол.%, коротковолновая граница пропускания его оптического фильтра 4,2 мкм, а концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен другой приемник излучения, выбрана в пределах (10±1,0) мол.% с коротковолновой границей пропускания его оптического фильтра 2,6 мкм.10. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для обнаружения очагов пожара, образующихся преимущественно при тлении древесины и хлопка, концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен приемник излучения основного канала, выбрана в пределах (0,1±0,02) мол.%, а коротковолновая граница пропускания его оптического фильтра 3,2 мкм.11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно химических веществ, не содержащих углерод, концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен приемник излучения основного канала, выбрана в пределах (10±2) мол.%, а коротковолновая граница пропускания его оптического фильтра 3,2 мкм.12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,6-2,6 мкм, например от электрических ламп накаливания, концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен приемник излучения вспомогательного канала, выбрана в пределах (20±3,0) мол.%, а полоса пропускания его оптического фильтра от 1,6 до 2,6 мкм.13. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 3,2-4,2 мкм, например от отопительных батарей, нагревательных приборов и от электрических ламп накаливания, концентрация селенида кадмия в твердом растворе, из которого изготовлен приемник излучения вспомогательного канала, выбрана в пределах (0,1±0,02) мол.%, а коротковолновая граница пропускания его оптического фильтра 3,2 мкм.14. Устройство по п.3, отличающееся тем, что для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,0 - 1,4 мкм, например от солнца, искусственных источников света и электросварки, концентрация селенида кадмия в твердом растворе фотоэлектрического элемента вспомогательного канала выбрана в пределах (20±3,0) мол.%, а полоса пропускания его оптического фильтра от 1,4 до 1,0 мкм.15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнено размещенным перед входным окном датчика контрольным фотолюминесцентным излучателем, изготовленным из твердого раствора, образованного введением селенида кадмия в селенид свинца, при этом спектр излучения излучателя согласован со спектрами излучения очагов пожара и взрыва.