АВТОНОМНАЯ СИГНАЛЬНО-ПУСКОВАЯ СИСТЕМА ПОЖАРОТУШЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК G08B17/00 

Предлагаемая система относится к противопожарной технике, а более конкретно - к автоматическим устройствам сигнализации о пожарной обстановке и управления противопожарным оборудованием, и может быть использована для противопожарной защиты различных объектов и одновременной передачи сигналов тревоги на удаленную станцию.

Известны автономные сигнально-пусковые системы пожаротушения (авт. свид. СССР №№1261676, 1277159, патенты РФ №№2022250, 2024064, 2115451, 2138856, 2170951, 2165781, 2175779, 2254614, 2256228, 2275688, 2344859, 2355037; патенты США №№3786461, 4661320; патент Великобритании №2324398; патенты ЕР №№0360126, 0657728 и др.)

Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения» (патент РФ №2355037, G08B 17/00, 2007), которая и выбрана в качестве прототипа.

Указанная система содержит конструктивно объединенные, заключенные в едином корпусе тепловой пускатель и соединенный с ним источник тока с пиротехническим активатором. К источнику тока подключено реле времени, которое на выходе соединено с сигнальным устройством через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройством через нормально разомкнутый контакт. Источник тока представляет собой оболочку с размещенной в ней с возможностью контакта с пиротехническим активатором твердотельной шашкой из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа.

Технической задачей изобретения является повышение надежности дистанционной сигнализации о возникновении пожара на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Поставленная задача решается тем, что автономная сигнально-пусковая система пожаротушения, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно соединенные тепловой пускатель, источник тока с пиротехническим активатором и реле времени, которое соединено с сигнальным устройством через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройством через нормально разомкнутый контакт, при этом тепловой пускатель и источник тока с пиротехническим активатором конструктивно объединены и заключены в корпус, тепловой пускатель выполнен в виде подпружиненного штока, установленного с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с пиротехническим активатором источника тока, причем один из концевых участков подпружиненного штока расположен с возможностью выступания из корпуса и снабжен фиксатором, выполненным из материала с термомеханической памятью формы, источник тока включает оболочку с размещенной в ней с возможностью контакта с пиротехническим активатором твердотельной шашкой из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа, сигнальное устройство выполнено в виде передатчика сигнала на удаленный приемник, отличается от ближайшего аналога тем, что передатчик сигнала выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, n-отводной линии задержки, фазоинверторов, включенных в m-отводы n-отводной линии задержки, сумматор, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя мощности и передающей антенны, а приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого через вторую линию задержки соединен с выходом ключа, и блока регистрации, управляющий вход генератора пилообразного напряжения соединен с выходом порогового блока.

Структурная схема автономной сигнально-пусковой системы пожаротушения представлена на фиг.1. График изменения напряжения на выходных контактах источника тока показан на фиг.2. Конструктивно объединенные в едином корпусе источник тока с пиротехническим активатором и тепловым пускателем электрического действия изображены на фиг.3. Конструктивно объединенные в едином корпусе источник тока с пиротехническим активатором и тепловым пускателем ударного действия изображены на фиг.4. Структурная схема передатчика представлена на фиг.5. Структурная схема приемника представлена на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы передатчика и приемника, изображены на фиг.7.

Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения содержит последовательно соединенные тепловой пускатель 1, источник тока 2 с пиротехническим активатором 3 и реле времени 4, которое соединено с сигнальным устройством 5 через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройство 6 через нормально разомкнутый контакт.

Тепловой пускатель 1 и источник тока 2 с пиротехническим активатором 3 конструктивно объединены и заключены в едином корпусе 7, выполненном из электроизоляционного материала. В качестве электроизоляционного (неэлектропроводного) и немагнитного материала при изготовлении элементов системы могут быть использованы пластические материалы, материалы на основе стекло- или органоволокна. Тепловой пускатель 1 выполнен в виде цилиндрического штока 8, установленного в корпусе 7. Шток 8 оснащен приводом его поступательного перемещения, который представляет собой пружину 9 сжатия, установленную коаксиально на штоке 8 в его средней части. Концевой участок 10 подпружиненного штока 8 расположен с возможностью выступания из корпуса 7 и имеет фигурную проточку для взаимодействия с термочувствительным фиксатором 11, выполненным в форме скобы диаметром около 20 мм из материала с термомеханической памятью формы, например никелида титана.

Тепловой пускатель 1 имеет возможность взаимодействовать с пиротехническим активатором 3 источника тока 2 двумя различными способами, отличающимися их конструктивными воплощениями.

Тепловой пускатель 1 электрического действия, изображенный на фиг.3, снабжен соленоидом 12 с центральным осевым каналом 13, выводы 14 которого электрически соединены с пиротехническим активатором 3. При этом пиротехнический активатор 3 выполнен в виде мостика накаливания 15, электрически соединенного с выводами 14, и нанесенной на него навеской инициирующего вещества 16. Кроме этого, второй концевой участок 17 подпружиненного штока 8 намагничен (на чертежах соответствующие полюсы постоянного магнита обозначены буквами S и N) и установлен с возможностью перемещения внутри центрального осевого канала 13 соленоида 12.

Тепловой пускатель 1 ударного действия, изображенный на фиг.4, характеризуется тем, что второй концевой участок 17 его подпружиненного штока 8, обращенный в сторону пиротехнического активатора 3, снабжен коническим бойком 18. При этом пиротехнический активатор 3 выполнен в виде воспламенителя и навески инициирующего вещества 16 и капсюля 19.

Источник тока 2 является устройством питания постоянной готовности на основе теплового химического источника тока резервного типа, который представляет собой конструкцию в герметичной оболочке 20 с твердотельной шашкой 21 из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа. При этом твердотельная шашка 21 непосредственно контактирует с навеской инициирующего вещества 16 пиротехнического активатора 3, который также, преимущественно, размещен в герметичной оболочке 20. Источник тока 2 имеет электрические выводы 22, которые нормально соединены с входными контактами реле времени 4.

Реле времени 4 представляет собой электронный двухпозиционный временной переключатель, который через нормально замкнутый выходной контакт электрически соединен с сигнальным устройством 5 и одновременно через нормально разомкнутый выходной контакт электрически соединен с исполнительным устройством 6.

Исполнительное устройство 6 представляет собой, преимущественно, генератор огнетушащего аэрозоля с электрическим средством запуска, например, пиропатроном, который собственно и подключен к нормально разомкнутому контакту реле времени 4.

Сигнальное устройство 5 представляет собой, преимущественно, передатчик радиосигнала на удаленный приемник.

Передатчик содержит последовательно включенные задающий генератор 23, n-отводную линию задержки 24.i (i=1, 2,…, n), фазоинверторы 25.j (j=1, 2, …, m), включенные в m отводы n-отводной линии задержки 24.i, сумматор 26, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом задающего генератора 23, усилитель 27 мощности и передающую антенну 28.

Приемник содержит последовательно включенные приемную антенну 29, усилитель 30 высокой частоты, смеситель 31, второй вход которого через гетеродин 33 соединен с выходом генератора 32 пилообразного напряжения, усилитель 34 промежуточной частоты, удвоитель 37 фазы, второй анализатор 38 спектра, блок 39 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 36 спектра соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, пороговый блок 40, второй вход которого через первую линию задержки 41 соединен с его выходом, ключ 42, второй вход которого соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, фазовый детектор 43, второй вход которого через вторую линию задержки 44 соединен с выходом ключа 42, и блок 45 регистрации. Анализаторы 36 и 38 спектра, удвоитель 37 фазы, блок 39 сравнения, пороговый блок 40 и первая линия задержки 41 образуют обнаружитель (селектор) 35 фазоманипулированного (ФМН) сигнала.

Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения функционирует следующим образом.

Система эффективна при использовании ее, преимущественно, на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах. Основные элементы системы доставляются на объект в собранном виде и во взведенном положении устанавливаются стационарно в месте наиболее вероятного возникновения пожара. После монтажа системы пожаротушения снимают все предохранители, в том числе и со штока 8 (на чертеже не показан), и она переводится в дежурный режим.

При возникновении пожара и повышении температуры в зоне расположения термочувствительного фиксатора 11 до порога срабатывания (72°C) в его материале происходит мартенситное превращение, сопровождающееся восстановлением предварительно заданной формы скобы, последняя разжимается, восстанавливая свою форму, и высвобождает концевой участок 10 штока 8. Шток 8 под воздействием пружины 9 привода (его поступательного движения), начинает движение вниз. Вместе со штоком 8 перемещается и его второй концевой участок 17. Далее возможна реализация схемы пиротехнического активатора 3 с тепловым пускателем 1 электрического действия или пиротехнического активатора 3 с тепловым пускателем 1 ударного действия.

В первом случае подпружиненный шток 8 взаимодействует с пиротехническим активатором 3 посредством намагниченного второго концевого участка 17, который перемещается внутрь центрального осевого канала 13 соленоида 12 и вырабатывает импульс тока, передающийся через электрические выводы 14 на мостик накаливания 15 пиротехнического активатора 3. Необходимая величина электрического импульса составляет 0,5-1,0 А, а длительность - 1-10 мс.

Во втором случае подпружиненный шток 8 взаимодействует с пиротехническим активатором 3 посредством конического бойка 18, который ударяет по капсюлю 19.

В обоих случаях происходит воспламенение навески инициирующего вещества 16, которое за короткое время расплавляет твердосолевую электрохимическую композицию твердотельной шашки и переводит источник тока 2 в состояние генерирования тока заданной величины. Как показывает график (фиг.2), короткое время активации (t₀≤1 c) позволяет использовать источник тока 2 в средствах и устройствах с малым временем приведения в рабочее состояние. В течение периода времени t₁ происходит включение и функционирование сигнального устройства 5. Длительность периода времени t₁ обеспечивается реле времени 4, задается при монтаже системы пожаротушения и зависит от регламента и плана аварийных действий на охраняемом объекте. В течение указанного периода времени обязательно сохраняется нормально замкнутый электрический контакт выхода реле времени 4 с сигнальным устройством 5, который обеспечивает передачу радиосигнала на удаленный приемник.

Для этого задающим генератором 23 формируется радиоимпульс (фиг.7, а)

u_c(t)=U_c·Cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤τ_э,

где U_c, w_c, φ_c, τ_э - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность радиоимпульса.

Сформированный радиоимпульс с выхода задающего генератора 23 поступает на вход многоотводной линии задержки 24.i (i=1, 2,…, n) и на (n+1)-ый вход сумматора 26. В многоотводной линии задержки 24.i время задержки между ближайшими соседними отводами равно длительности радиоимпульса τ_э (τ_зi=τ_э, i=1, 2,…, n). В некоторых отводах линии задержки включены фазоинверторы 25.j (j=1, 2, …, m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° (в соответствии с идентификационным кодом M(t) (фиг.7, б) объекта пожарной безопасности (фиг.7, в, г). На выходе сумматора 26 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН) в виде алгебраической суммы радиоимпульсов со всех отводов линии задержки 24.i (i=1, 2,…, n) и с выхода задающего генератора 23 (фиг.7, д)

u₁(t)=U_с·Cos[w_сt+φ_к(t)+φ_с], 0≤t≤Т_c,

где φ_K(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t), причем φ_K(t)=const при Кτ_э<t<(К+1)τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (радиоимпульсами) (К=1, 2, …, n);

τ_э, n - длительность и количество элементарных посылок (радиоимпульсов), из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=τ_э·n).

Данный сигнал после усиления в усилителе 27 мощности поступает в передающую антенну 28, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 29, установленной на пункте контроля, и через усилитель 30 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 31, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 33 линейно-изменяющейся частоты

u_г(t)=U_г·Cos(w_гt+πγt²+φ_г), 0≤t≤Т_п,

где - скорость изменения частоты гетеродина 33;

Т_п - период перестройки.

Следует отметить, что поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется с помощью генератора 32 пилообразного напряжения, который по линейному закону изменяет частоту гетеродина 33. На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 34 промежуточной частоты выделяется напряжение промежуточной частоты

u_up(t)=U_up·Cos[w_upt+φ_K(t)-πγt² ₊φ_up], 0<=t=<Т_с,

где ;

w_up=w_с-w_г - промежуточная (разностная) частота;

φ_up=φ_с-φ_г,

которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейно частотной модуляцией (ФМН - ЛЧМ).

Напряжение U_up(t) с выхода усилителя 34 промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 35 ФМн-сигнала, состоящего из удвоителя 37 фазы, анализаторов 36 и 38 спектра, блока 39 сравнения, порогового блока 40 и первой линии задержки 41.

На выходе удвоителя 37 фазы образуется напряжение

u₂(t)=U₂·Cos[2w_upt-2πγt²+2φ_up], 0≤t≤Т_с,

где

в котором манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью Т_с сигнала , тогда как ширина спектра входного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок , т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в n раз меньше ширины спектра входного сигнала .

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в n раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δf_с входного ФМн-сигнала измеряется анализатором 36 спектра, а ширина спектра Δf₂ второй гармоники сигнала - с помощью анализатора 38 спектра. Напряжения U_I и U_II, пропорциональные Δf_с и Δf₂ соответственно, с выходов анализаторов 36 и 38 спектра поступают на два входа блока 39 сравнения. Так как U_I>>U_II, то на выходе блока 39 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U_пор в пороговом блоке 40. Пороговый уровень U_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового напряжения U_пор в пороговом блоке 40 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 42, открывая его, на вход линии 41 задержки и на управляющий вход генератора 32 пилообразного напряжения, выключая его. Ключ 42 в исходном состоянии всегда закрыт.

При прекращении перестройки частоты гетеродина 32 усилителем 34 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение (фиг.7, е)

U_up1(t)=U_пр·Cos[w_upt+φ_к(t)+φ_up], 0≤t≤Т_с,

На выходе удвоителя 37 фазы в этом случае выделяется гармоническое напряжение (фиг.7, ж)

u₃(t)=U₂·Cos(2w_upt+2φ_up), 0≤t≤Т_с.

Напряжение U_up1(t) с выхода усилителя 34 промежуточной частоты через открытый ключ 42 поступает на два входа фазового детектора 43 непосредственно и через линию 44 задержки, время задержки τ_з которой выбирается равной длительности τ_э элементарных посылок (τ_з=τ_э). При этом опорным напряжением, необходимым для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, для каждой последующей посылки служит предыдущая посылка. На выходе фазового детектора 43 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, и)

u_н(t)=U_н·Cos·φ_к, 0≤t≤T_c,

где ;

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.7, б), за исключением первой элементарной посылки.

Фазовый детектор 43 и линия задержки 44 образуют автокорреляционный демодулятор ФМн-сигналов, который свободен от явления «обратной работы», присущей известным демодулятором ФМн-сигналов (схемы А.А.Пистолькорса, В.И.Сифорова, Г.А.Травина, Д.Ф.Костаса).

Низкочастотное напряжение u_н(t) фиксируется блоком 45 регистрации.

Несущая частота w_с и модулирующий код M(t) являются идентификационными признаками объекта пожарной безопасности, где возник пожар. По этим признакам на пункте контроля принимается решение о месте возникновения пожара и мерах по его ликвидации.

Время задержки τ₁ линии задержки 41 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать и проанализировать низкочастотное напряжение u_н(t).

Для надежной передачи сигнала тревоги достаточно пятнадцатисекундного импульса (t₁≤15 с). В течение периода времени t₂ происходит подключение и запуск генератора огнетушащего аэрозоля исполнительного устройства 6. Указанное подключение обеспечивается реле времени 4, по команде которого по окончании временного периода t₁ осуществляется замыкание нормально разомкнутого выходного контакта реле времени 4 с электрическим средством запуска, например, пиропатроном генератора огнетушащего аэрозоля. После срабатывания пиропатрона генератора огнетушащего аэрозоля последний функционирует автономно и в электропитании от источника тока 2 не нуждается. Для надежного запуска генератора огнетушащего аэрозоля исполнительного устройства 6 достаточно пятисекундного импульса (t₂=2-5 с).

По истечении времени τ₁ напряжение с выхода порогового блока 40 через линию задержки 41 поступает на вход сброса порогового блока 40 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 42 закрывается, а генератор 32 пилообразного напряжения включается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния.

При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте и с другим модулирующим кодом работа приемника происходит аналогичным образом.

Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности дистанционной сигнализации о возникновении пожара на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.

Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.

Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.

Изобретение относится к противопожарной технике, в частности к автоматическим устройствам сигнализации о пожарной обстановке и управления противопожарным оборудованием, и может быть использовано для противопожарной защиты различных объектов с одновременной передачей сигналов тревоги на удаленную станцию. Техническим результатом является повышение надежности дистанционной сигнализации о возникновении пожара на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. Система содержит тепловой пускатель, источник тока с пиротехническим активатором, реле времени, исполнительное устройство и сигнальное устройство, выполненное в виде передатчика сигнала на удаленный приемник. Передатчик содержит задающий генератор, n-отводную линию задержки, фазоинверторы, сумматор, усилитель мощности и передающую антенну. Приемник содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, генератор пилообразного напряжения, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель ФМн-сигнала, удвоитель фазы, анализаторы спектра, блок сравнения, пороговый блок, линии задержки, ключ, фазовый детектор и блок регистрации. 7 ил.

Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения, содержащая последовательно соединенные тепловой пускатель, источник тока с пиротехническим активатором и реле времени, которое соединено с сигнальным устройством через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройством через нормально разомкнутый контакт, при этом тепловой пускатель и источник тока с пиротехническим активатором конструктивно объединены и заключены в корпус, тепловой пускатель выполнен в виде подпружиненного штока, установленного с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с пиротехническим активатором источника тока, причем один из концевых участков подпружиненного штока расположен с возможностью выступания из корпуса и снабжен фиксатором, выполненным из материала с термомеханической памятью формы, источник тока включает оболочку с размещенной в ней с возможностью контакта с пиротехническим активатором твердотельной шашкой из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа, сигнальное устройство выполнено в виде передатчика сигнала на удаленный приемник, отличающаяся тем, что передатчик сигнала выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, n-отводной линии задержки, фазоинверторов, включенных в m-отводы n-отводной линии задержки, сумматора, (n+1)-й вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя мощности и передающей антенны, а приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого через вторую линию задержки соединен с выходом ключа, и блока регистрации, управляющий вход генератора пилообразного напряжения соединен с выходом порогового блока.