СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2014 года по МПК G08B17/117 

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов.

Известны способы и устройства раннего обнаружения пожара (патенты РФ №2.032.229, 2.078.377, 2.110.094, 2.177.179, 2.210.813, 2.256.231, 2.340.002, 2.409865; патенты США №5.049.861, 5.079.422; патент ЕР №0.940.679; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с.292-295 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.409.865, G08B 17/117, 2009), которые и выбраны в качестве прототипов.

Известные технические решения обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности определения идентификационного номера объекта пожарной безопасности и его координат путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.

Однако, с точки зрения расширения диапазона рабочих частот, без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина целесообразно не подавлять, а использовать дополнительные каналы приема.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования зеркального и комбинационных каналов.

Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, сдвигают по фазе на +90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, первое суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки суммарного напряжения промежуточной частоты, которая заключается в том, что суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте $$\frac{{\omega }_{пр}}{2}$$ , удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω_up, сдвигают его по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличается от ближайшего аналога тем, что после перемножения первого суммарного напряжения промежуточной частоты с принимаемым сигналом выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки первого суммарного напряжения промежуточной частоты, второе напряжение промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, второе суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки второго суммарного напряжения промежуточной частоты, после перемножения второго суммарного напряжения промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки второго суммарного напряжения промежуточной частоты.

Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и первый блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу первого ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, и блока регистрации, к второму выходу гетеродина последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты и третий фазовращатель на +90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым перемножителем, четвертым, пятым и шестым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым амплитудными детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, вторым, третьим и четвертым блоками обработки, причем к выходу первого перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и второй блок обработки, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, пятый узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и третий блок обработки, к выходу второго перемножителя последовательно подключены шестой узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и четвертый блок обработки.

Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении хлопка, изображены на фиг.1. Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении древесины, изображены на фиг.2. Структурная схема устройства для раннего обнаружения пожара представлена на фиг.3 и 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, показаны на фиг.5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг.6. Структурная схема блока 35 (39, 46, 50) обработки изображена на фиг.7.

Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых в виде, например, газового сенсора 1.i (i=1, 2,…,n), к которому подключены последовательно соединенные согласующий усилитель 2.i и аналого-цифровой преобразователь 3.i. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 3.i подсоединен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 световых и звуковых сигналов тревоги, снабженного световым 6 и звуковым 7 сигнализаторами, при этом выход 8 формирователя 5 соединен с центральным концентратором пожарной охраны (не показан). Количество каналов зависит от количества газовых компонентов, концентрации которых измеряют одновременно на начальной стадии возгорания. Ко второму выходу микропроцессора 4 последовательно подключены формирователь 9 модулирующего кода, фазовый манипулятор 11, второй вход которого через задающий генератор 10 соединен с выходом микропроцессора 4, усилитель 12 мощности и передающая антенна 13.

Устройство для приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, первый смеситель 17, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 16, и первый усилитель 18 промежуточной частоты, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 16 второй фазовращатель 26 на 90°, второй смеситель 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 25 высокой частоты, второй усилитель 28 промежуточной частоты, третий фазовращатель 29 на 90°, первый сумматор 30, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18 промежуточной частоты, первый перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, третий узкополосный фильтр 32, первый амплитудный детектор 33, первый ключ 34, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 30, делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, первый фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом ключа 34, и блок 25 регистрации. Делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, первый фазовращатель 23 на +90°, фазовый детектор 24 и блок 25 регистрации образуют блок 35 (39, 46, 50) обработки.

К выходу первого перемножителя 31 последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр 36, второй амплитудный детектор 37, второй ключ 38, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 30, и второй блок 39 обработки. К выходу второго усилителя 28 промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель 40 на -90°, второй сумматор 41, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18 промежуточной частоты, второй перемножитель 42, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, пятый узкополосный фильтр 43, третий амплитудный детектор 44, третий ключ 45, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, и третий блок 46 обработки. К выходу второго перемножителя 42 последовательно подключены шестой узкополосный фильтр 47, четвертый амплитудный детектор 48, четвертый ключ 49, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, и четвертый блок 50 обработки.

Частота настройки ω_н1 третьего 32 и пятого 43 узкополосных фильтров выбирается равной частоте ω_г гетеродина 16

ω_н1=ω_г.

Частота настройки ω_н2 четвертого 36 и шестого 47 узкополосных фильтров выбрана равной второй гармонике частоты 2ω_г гетеродина 16

ω_н2=2ω_г.

Устройство для приема сложных ФМн-сигналов устанавливается на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе.

Устройство для раннего обнаружения пожара может быть реализовано на известных элементах отечественного и зарубежного производства, таких как полупроводниковые сенсоры типа ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieges (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа Р1С12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Devices» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (H₂), окись углерода (CO), двуокись углерода (CO₂) и ароматические углеводороды (C_xH_y), причем концентрации этих газов изменяются во времени.

Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси углерода и ароматических углеводородов в первые несколько минут после начала тления хлопка и древесины показаны соответственно на фиг.1 и 2, где K - текущее значение концентрации газового компонента в воздухе в процентах.

Анализ графиков показывает, что в течение первых минут тления идет резкое газовыделение одновременно нескольких газов, а именно водорода, ароматических углеводородов, окиси углерода и двуокиси углерода.

Значения концентраций выделяемых газов для разных горючих материалов могут быть различны, но выделение окиси углерода всегда сопровождается выделением водорода, ароматических углеводородов и двуокиси углерода. При этом значения соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах.

Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношения концентраций в воздухе ароматических углеводородов, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждый текущий момент времени составляют:

K_CxHy:Kн₂:K_CO:Kco₂=1:1.5-2.5:6.0-8.5:2.5-4.0

При этом значения соотношения концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат в пределах 1:2,4-5,6 в каждый текущий момент времени.

Указанные выше соотношения концентраций основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношение текущих значений концентраций этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.

Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1-l.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (H₂, CO, CO₂, и C_xH_y), изменяет свою проводимость при измерении концентрации этого компонента в воздухе, в результате чего на выходе соответствующего сенсора 1.1-1.n появляется электрический сигнал, величина которого соответствует определенной концентрации этого газового компонента в воздухе. Затем этот сигнал усиливают и преобразуют с помощью соответствующего преобразователя 3.1.-3.n в цифровой сигнал.

Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например через 0,1-1 минуту, опрашивает сенсоры 1.1-1.n, сопоставляет между собой поступившие с них текущие значения сигналов (соответствующие текущим значениям концентраций газовых компонентов в воздухе) и полученные соотношения текущих значений сигналов сравнивает с заданными соотношениями значений сигналов, записанными ранее и хранящимися в его памяти. При совпадении соотношений текущих значений сигналов с заданными соотношениями значений на формирователи 5 и 9 поступают сигналы, формирующие на них сигналы тревоги: световой, звуковой, а также сигнал, подаваемый с выхода 8 на центральный концентратор пожарной охраны, и модулирующий код M(t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности, соответственно.

Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй-третьей минутах после начала искусственно вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала. Например, на первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:

K_CxHy:Kн₂:K_CO:Kco₂=1:2,6:6:3,7,

на третьей минуте:

K_CxHy:Kн₂:K_CO:Kco₂=1:2,1:5:3.

Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:

Kн₂:K_CO=1:2,3,

а на третьей минуте:

Kн₂:K_CO=1:2,4.

При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:

K_CxHy:Kн₂:K_CO:Kco₂=1:1,6:8,5:3,

на третьей минуте:

K_CxHy:Kн₂:K_CO:Kco₂=1:2,1:7:2,8.

Соотношение Kн₂:K_CO=1:2,6 на первой минуте и Kн₂:K_CO=1:5,3 - на третьей минуте.

При совпадении соотношения текущих значений концентрации основных газовых компонентов с заданными соотношениями в микропроцессоре 4 формируется сигнал, который с его второго выхода поступает на вход задающего генератора 10 и включает его.

Задающий генератор 10 формирует высокочастотное колебание (фиг.5, а)

u_с(t)=U_с·Cos(ω_сt+φ_с), 0≤t≤Т_с,

где U_с, ω_с, φ_с, T_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на второй вход фазового манипулятора 11, на первый вход которого подается модулирующий код М(t) с выхода формирователя 9 (фиг.5, б), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности.

На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.5, в)

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

где φ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5, б), причем φ_к(t)=const при Kτ_Э<t<(K+1)τ_Э и может изменяться скачком при t=Kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1,2,…,N);

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_с(T_с=τ_Э·N),

который после усиления в усилителе 12 мощности поступает в антенну 13, излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 и через усилитель 15 высокой частоты поступает на первые входы смесителей 17 и 27, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 16:

u_г1(t)=U_г·Cos(ω_гt+φ_г),

u_г2(t)=U_г·Cos(ω_гt+φ_г+90°).

На выходах смесителей 17 и 27 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 18 и 28 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты

u_пр1(t)=U_пр·Cos[ω_прt+φ_к(t)+φ_пр],

u_пр2(t)=U_пр·Cos[ω_прt+φ_к(t)+φ_пр-90°], 0≤t≤T_с,

где $$U_{пр}=\frac{1}{2}{U}_c\cdot U_{г}$$ ;

ω_пр=ω_с-ω_г - промежуточная (разностная) частота;

ω_пр=φ_с-φ_г.

Напряжение u_пр2(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 29 на 90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр3(t)=U_пр·Cos[ω_прt+φ_к(t)+φ_пр-90°+90°]=

=U_пр·Cos[ω_прt+φ_к(t)+φ_пр], 0≤t≤T_с.

Напряжения U_пр1(t) и U_пр3(t) поступают на два входа сумматора 30, на выходе которого образуется суммарное напряжение (фиг.5, г)

U_∑(t)=U_∑·Cos[ω_прt+φ_к(t)+φ_пр], 0≤t≤T_с,

где U_∑=2U_пр.

Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 31, на второй вход которого подается принимаемый сигнал u₁(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя образуется гармоническое напряжение

u₂(t)=U₁·Cos(ω_гt+φ_г), 0≤t≤T_с,

где $$U_{пр}=\frac{1}{2}{U}_{с}\cdot U_{\Sigma }$$ ;

которое выделяется узкополосным фильтром 32, детектируется амплитудным детектором 33 и поступает на управляющий вход ключа 34, открывая его. В исходном состоянии ключ 34 всегда закрыт. Частота настройки ω_н1 узкополосного фильтра 32 выбирается равной частоте ω_г гетеродина 16 (ω_н1=ω_г).

При этом суммарное напряжение u_∑(t) с выхода сумматора 30 через открытый ключ 34 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 24 и на вход делителя 19 фазы на два. На выходе последнего образуется напряжение (фиг.5, д)

$$u_3\left(t\right)=U_3\cdot Sin\left(\frac{{\omega }_{пр}}{2}t+\frac{{\omega }_{пр}}{2}\right)$$ , 0≤t≤T_с,

где U₃=0,707U₂.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 20 и поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₄(t)=U₄·Sin(ω_прt+φ_пр), 0≤t≤T_с,

где $$U_4=\frac{1}{2}{U}_3^2$$ ;

которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход фазовращателя 23 на 90°. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.5, е)

U₅(t)=U₄·Sin(ω_прt+φ_пр+90°)=U₄·Cos(ω_прt+φ_пр), 0≤t≤T_с,

которое используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 24.

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, ж)

u_н(t)=U_н-Cosφ_к, 0≤t≤T_с,

где $$U_{н}=\frac{1}{2}{U}_{\Sigma }\cdot U_{н}$$ ,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, б), которое фокусируется блоком 25 регистрации.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω_с (фиг.6).

Если сложный ФМн-сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω_з

u_з(t)=U_з·Cos[ω_зt+φ_к1(t)+φ_з], 0≤t≤Т_з,

то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:

u_пр4(t)=U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4],

u_пр5(t)=U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4+90°], 0≤t≤T_з,

где $$U_{пр4}=\frac{1}{2}{U}_{з}\cdot U_{г}$$ ;

ω_пр=ω_г-ω_з - промежуточная частота;

φ_пр4=φ_г-φ_з.

Напряжение u_пр5(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:

u_пр6(t)=U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4+90°+90°]=

=-U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4],

u_пр7(t)=U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4+90°-90°]=

=U_пр4·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4].

Напряжения u_пр4(t) и u_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 30, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_пр4(t) и u_пр7(t) поступают на два входа второго сумматора 41, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u_∑1(t)=U_∑1·Cos[ω_прt-φ_к1(t)+φ_пр4], 0≤t≤T_з,

где U_∑1=2U_пр4.

Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 42, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u_з(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 42 образуется гармоническое напряжение

u₆(t)=U₆·Cos(ω_гt+φ_г), 0≤t≤T_з,

где $$U_6=\frac{1}{2}{U}_{з}\cdot U_{\Sigma 1}$$ ;

которое выделяется узкополосным фильтром 43, детектируется амплитудным детектором 44 и поступает на управляющий вход ключа 45, открывая его. В исходном состоянии ключи 38, 45 и 49 всегда закрыты.

При этом второе суммарное напряжение u_∑1(t) с выхода сумматора 41 через открытый ключ 45 поступает на вход третьего блока 46 обработки.

Если сложный ФМн-сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω_к1

u_к1(t)=U_к1·Cos[ω_к1t+φ_к2(t)+φ_к1], 0≤t≤T_к1,

то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:

u_пр8(t)=U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7],

u_пр9(t)=U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7+90°], 0≤t≤T_к1,

где $$U_{пр7}=\frac{1}{2}{U}_{к1}\cdot U_{г}$$ ;

ω_пр=2ω_г-ω_к1 - промежуточная частота;

ω_пр7=φ_г-φ_к1.

Напряжение U_пр9(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:

u_пр10(t)=U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7+90°+90°]=

=-U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7],

u_пр11(t)=U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7+90°+90°]=

=U_пр8·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7].

Напряжения u_пр8(t) и u_пр10(t), поступающие на два входа сумматора 30, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_пр8(t) и u_пр10(t) поступают на два входа второго сумматора 41, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u_∑2(t)=U_∑2·Cos[ω_прt-φ_к2(t)+φ_пр7], 0≤t≤T_к1,

где U_∑2=2U_пр8.

Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 42, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u_к1(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 42 образуется гармоническое напряжение

u₇(t)=U₇·Cos(2ω_гt+φ_г), 0≤t≤T_к1,

где $$U_7=\frac{1}{2}{U}_{к1}\cdot U_{\Sigma 2}$$ ;

которое выделяется узкополосным фильтром 47, детектируется амплитудным детектором 48 и поступает на управляющий вход ключа 49, открывая его.

При этом четвертое суммарное напряжение u_∑2(t) с выхода сумматора 41 через открытый ключ 49 поступает на вход четвертого блока 50 обработки.

Если сложный ФМн-сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2

u_к2(t)=U_к2·CoS[ω_к2t+φ_к3(t)+φ_к2], 0≤t≤T_к2,

то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_пр12(t)=U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11],

u_пр13(t)=U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11-90°], 0≤t≤T_к2,

где $$U_{пр11}=\frac{1}{2}{U}_{к2}\cdot U_{г}$$ ;

ω_пр=ω_к2-2ω_г - промежуточная частота;

ω_пр11=φ_к2-φ_г.

Напряжение u_пр13(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:

u_пр14(t)=U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11-90°+90°]=

=U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11],

U_пр15(t)=U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11-90°-90°]=

=-U_пр12·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11].

Напряжения U_пр12(t) и U_пр15(t), поступающие на два входа сумматора 41, на его выходе компенсируются.

Напряжения U_пр12(t) и U_пр14(t) поступают на два входа сумматора 30, на выходе которого образуется суммарное напряжение

u_∑3(t)=U_∑3·Cos[ω_прt+φ_к3(t)+φ_пр11], 0≤t≤T_к2,

где U_∑3=2U_пр12.

Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 31, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u_к2(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 31 образуется гармоническое напряжение

u₈(t)=U₈·Cos(2ω_гt+φ_г), 0≤t≤T_к2,

где $$U_8=\frac{1}{2}{U}_{к2}\cdot U_{\Sigma 3}$$ ;

которое выделяется узкополосным фильтром 36, детектируется амплитудным детектором 37 и поступает на управляющий вход ключа 38, открывая его.

При этом третье суммарное напряжение u_∑3(t) с выхода сумматора 30 через открытый ключ 38 поступает на вход второго блока 39 обработки.

Способ и устройство обеспечивают расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и своевременную передачу сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения.

Это достигается использованием радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.

Указанные сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

Ширина спектра Δf₂ второй гармоники определяется длительностью T_с сигнала $$\Delta f_2=\frac{1}{T_{с}}$$ , тогда как ширина спектра Δf_с ФМн-сигнала определяется длительностью τ_Э его элементарных посылок $$\Delta f_{с}=\frac{1}{{\tau }_{Э}}$$ , т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_с входного сигнала $$\left(\frac{\Delta f_{с}}{\Delta f_2}=N\right)$$ .

Следовательно, в результате деления фазы на два и удвоения фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов. Кроме того, за счет узкополосной фильтрации удается отфильтровать значительную часть шумов и помех и тем самым повысить чувствительность приемника.

В широко известной схеме А.А.Пистолькорса, которая тоже обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования принимаемого сигнала, непосредственно из самого сигнала, присутствует «обратная работа». Это объясняется тем, что в данной схеме за счет удвоителя частоты фазовая манипуляция стирается полностью, т.е. сигнал разрушается. Поэтому сформированное опорное напряжение из разрушенного сигнала не имеет жесткой когерентности с ФМн-сигналом, отчего и происходит «обратная работа», т.е. сигнал низкочастотный на выходе фазового детектора воспринимается в «негативе»: нули вместо единиц и наоборот.

В предложенном приемнике ФМн-сигнал поступает на делитель фазы, а не на удвоитель частоты. Поэтому ФМн-сигнал не разрушается, а только уменьшается его девиация фазы, в результате чего появляется колебание промежуточной частоты, жестко синфазное с ФМн-сигналом. Последнее и исключает «обратную работу» и повышает достоверность выделения низкочастотного напряжения, пропорционального модуляционному коду M(t).

Одновременное контролирование нескольких газов повышает надежность обнаружения пожара именно на ранних стадиях тления и возгорания. При этом исключается возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов по любой из причин, не соответствующей процессу возгорания. Последнее возможно, например, в результате утечки газов из баллонов, емкостей или трубопроводов, находящихся внутри или вблизи охраняемых помещений.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипом обеспечивают расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина. Это достигается за счет использования зеркального, первого и второго комбинационных каналов.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов. Техническим результатом изобретения является расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования зеркального и комбинационных каналов. Система, реализующая предлагаемый способ, содержит газовые сенсоры, согласующие усилители, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор, формирователь световых и звуковых сигналов тревоги, световой сигнализатор, звуковой сигнализатор, выход формирователя, формирователь модулирующего кода, задающий генератор, фазовый манипулятор, усилитель мощности и передающую антенну. Устройство для приема сложных ФМн-сигналов содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, гетеродин, смесители, усилители промежуточной частоты, делитель фазы на два, узкополосные фильтры, удвоитель фазы, фазовращатели на +90°, фазовый детектор, блок регистрации, сумматоры, перемножители, амплитудные детекторы, ключи, блоки обработки. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ раннего обнаружения пожара, основанный на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, сдвигают по фазе на +90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки суммарного напряжения промежуточной частоты, которая заключается в том, что суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω_up, сдвигают его по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличающийся тем, что после перемножения третьего суммарного напряжения промежуточной частоты с принимаемым сигналом выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки третьего суммарного напряжения промежуточной частоты, которое заключается в том, что третье суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω_up, сдвигают по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют третье низкочастотное напряжение, пропорциональное третьему моделирующему коду, второе напряжение промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, первое суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки первого суммарного напряжения промежуточной частоты, которая заключается в том, что первое суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω_up, сдвигают его по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют первое низкочастотное напряжение, пропорциональное первому модулирующему коду, после перемножения второго суммарного напряжения промежуточной частоты с принимаемым сигналом выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω_г гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки второго суммарного напряжения промежуточной частоты, которое заключается в том, что второе суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω_up, сдвигают его по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют второе низкочастотное напряжение, пропорциональное второму модулирующему коду.

2. Устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и первый блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу первого ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, и блока регистрации, к второму выходу гетеродина последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты и третий фазовращатель на +90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличающееся тем, что оно снабжено вторым перемножителем, четвертым, пятым и шестым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым амплитудными детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, вторым, третьим и четвертым блоками обработки, причем к выходу первого перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и второй блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу второго ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом второго ключа и блока регистрации, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, пятый узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и третий блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу третьего ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа и блока регистрации, к выходу второго перемножителя последовательно подключены шестой узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и четвертый блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу четвертого ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом четвертого ключа и блока регистрации.