Измеритель удельной оптической плотности дыма Российский патент 2023 года по МПК G08B17/10 

Измеритель удельной оптической плотности дыма относится к противопожарной технике, а именно к устройствам определения удельной оптической плотности среды в аспирационном дымовом пожарном извещателе и предназначено для раннего обнаружения признаков пожарной опасности.

Известны системы обнаружения дыма, которые включают в себя сеть труб с отверстиями для отбора проб из помещения. Пробы воздуха через отверстия для отбора проб проходят по трубам за счет разрежения, создаваемого с помощью аспиратора и поступают в детектор, который формирует сигналы тревоги при заданных уровнях удельной оптической плотности дыма. В качестве детектора используются оптико-электронные детекторы, содержащие светодиод и фотодиод, расположенные под определенным углом, принцип работы которых основан на обнаружении рассеяния света при наличии дыма.

Например, в патенте № US 6 184 537 B1 (6 февраля 2001 г.) https://patents.google.com/patent/US6184537 заявлен детектор дыма, который работает по принципу рассеянного света. Он содержит детекторную камеру, через которую проходит луч света. Для повышения чувствительности, т.е. для обнаружения меньших концентраций дыма, луч света проходит через ряд коллиматорных дисков с постепенно увеличивающимися апертурами, а на противоположной от излучателя стороне устанавливается мишень в форме асимметричного конуса, на которую направляется луч. Таким образом предотвращается попадание бликов в камеру и снижается уровень фоновой засветки, что позволяет обнаружить рассеяние луча света при меньших концентрациях дыма.

Однако принцип действия оптико-электронных детекторов дыма, работающих по принципу рассеянного света, определяет их наибольшую чувствительность по частицам дыма сравнимых с длиной волны излучателя обычно инфракрасного диапазона, т.е. по дымам с диаметром частиц порядка 1 мкм. Уровень рассеянного сигнала от частиц дыма меньших размеров резко снижается и соответственно падает чувствительность таких детекторов. Они не реагируют на частицы дыма диаметром 0,01-0,1 мкм, невидимые невооруженным глазом, которые образуются при низкотемпературной термоокислительной деструкции материалов и, следовательно, не обеспечивают раннее обнаружение пожароопасной обстановки. Детекторы, работающие по принципу рассеянного света, обнаруживают только крупные частицы дыма, которые образуются уже при высоких температурах очага на следующих этапах развития пожара, при появлении видимого дыма.

В аспирационной системе обнаружения пожара в грузовом отсеке самолета в качестве излучателя используется лазер синего диапазона с длиной волны 420-500 нм (патент CN 103996263A от 20 августа 2014 г. https://patents.google.com/patent/CN103996263A/en?oq=CN+103996263+A). Использование лазера синего диапазона позволяет обнаруживать частицы дыма меньшего размера по сравнению с детекторами инфракрасного диапазона. Максимальная чувствительность данного детектора сдвигается на частицы в два раза меньшего размера, диаметром порядка 0,5 мкм. Однако данное устройство так же не обнаруживает частицы дыма диаметром 0,01-0,1 мкм, которые образуются на ранней стадии развития пожароопасной ситуации, при низкотемпературной термоокислительной деструкции материалов.

Известен аспирационный детектор дыма (патент № EP2191253A1 24.02.2009 https://patentimages.storage.googleapis.com/05/76/32/bdf70937feed7b/US7493816.pdf), в состав которого входит проточный канал с генератором акустических волн. Переносимые по воздуху твердые частицы на пути потока реагируют на акустическое поле агломерацией частиц, получающиеся в результате образуются более крупные частицы, которые большей вероятностью могут быть обнаружены оптико-электронным детектором дыма. Однако для обеспечения возможности увеличения размеров частиц дыма в 10 и более раз требуется их высокая концентрация и значительный промежуток времени. При низкой концентрации частиц дыма, что соответствует начальному этапу развития пожароопасной ситуации, вероятность столкновения частиц дыма при воздействии ультразвука близка к нулю и коагуляция практически отсутствует.

Известен патент CA 1194116 A «Способ и устройство для индикации рабочей характеристики двигателя внутреннего сгорания» 24.09.1985, в котором выхлопные газы выходят из одной или более камер сгорания периодически через воздуховод. Частицы в потоке выхлопных газов электрически заряжены и имеют одинаковую полярность и сгруппированы в пакеты, связанные с периодическим сгоранием в соответствующих камерах. Электропроводящий пассивный электрод, предпочтительно кольцевой формы, расположен так, что большая часть или все выхлопные газы проходят через него, чтобы электростатически воспринимать, в основном за счет индуцированного заряда, прохождение соответствующих пакетов заряженных частиц. Электрод электрически изолирован от воздуховода. Схема с зондом преобразует воспринятый индуцированный заряд в сигнал, содержащий ряд пульсирующих компонентов, соответствующих по времени соответствующим пакетам частиц и количественно соответствующим количеству заряда соответствующих пакетов частиц. Индикаторное устройство реагирует на пульсирующий сигнал и обеспечивает индикацию рабочей характеристики двигателя. В одном случае индикаторное устройство может отображать среднеквадратичное значение пульсирующего сигнала, чтобы обеспечить количественную индикацию уровня твердых частиц в потоке выхлопных газов. В другом случае могут отображаться последовательные пульсации сигнала, что позволяет оценить работу соответствующих камер сгорания и/или форсунок.

Недостатком данного способа и устройства является необходимость поступления в воздуховод с пассивным электродом заряженных частиц, что ограничивает применение двигателями внутреннего сгорания, где образуются заряженные частицы. Образующиеся при пожаре частицы дыма не имеют заряда и, следовательно, данное устройство не может быть использовано для обнаружения дыма при пожаре.

Частицы дыма с минимальными размерами обнаруживают электроиндукционные пожарные извещатели. Например, в статье «Электроиндукционный метод контроля параметров аэродисперсной системы и раннего обнаружения термического разложения кабельной продукции и других материалов» (журнал "Пожаровзрывобезопасность" №12 за 2018 г., стр. 37 https://www.fire-smi.ru/jour/issue/viewIssue/114/54#39) описан электроиндукционный пожарный дымовой извещатель ИП 216-М5, выбранный в качестве аналога, состоящий из штуцера забора воздуха, высоковольтной платы, зарядной камеры, измерительной камеры, вентилятора и платы обработки. В зарядной камере извещателя формируется коронный разряд и частицы дыма получают электрический заряд. Далее, заряженные частицы дыма, проходят через электрод измерительной камеры и индицируют на нем заряд, величина которого зависит от размера частиц и их счетной концентрации. Измеренная величина заряда усиливается и подвергается последующей обработке с формированием сигнала «Тревога» при массовой концентрации аэрозоля 0,015 мг/м³ и сигнала «Пожар» при массовой концентрации аэрозоля 0,03 мг/м³.

Недостатком электроиндукционного дымового извещателя ИП 216-М5 является измерение массовой концентрации частиц дыма в мг/м³. В ГОСТ 34698-2020 «Извещатели пожарные» указано допустимое значение порога срабатывания электроиндукционных извещателей весовой концентрации частиц дыма в объеме воздушной среды в пределах от 0,05 до 10 мг/м³. Тогда как аспирационный извещатель должен обеспечивать измерение удельной оптической плотности среды в дБ/м, либо в %/м. В следствии чего данное устройство не может быть применено в качестве измерителя удельной оптической плотности в пожарном дымовом аспирационном извещателе.

Наиболее близким техническим решением является «Электроиндукционный пожарный извещатель», (патент на изобретение RU №2459268, МПК G08B 17/00, опубликован 20.08.2012). Электроиндукционный пожарный извещатель состоит из измерительного усилителя, блока обработки информации, блока питания, высоковольтного импульсного генератора и измерительной линии, содержащей зарядную камеру в виде кольца и иглы, индукционный электрод, побудителя расхода аэрозоля, регулятора напряжения высоковольтного импульсного генератора, резистивной цепочки, состоящей из двух последовательно включенных резисторов между иглой зарядной камеры и общим проводом и включенных параллельно резистору, конденсатора и стабилитрона.

Побудитель расхода аэрозоля обеспечивает поток воздуха, содержащего аэрозоль, через измерительную линию. Проходя через зарядную камеру, в которой осуществляется униполярный импульсный коронный разряд, поток приобретает объемный отрицательный электрический заряд пропорциональный концентрации частиц. Далее, проходя через индукционный электрод, поток наводит на нем положительный заряд, переменная составляющая которого пропорциональна объемному отрицательному электрическому заряду. Измерение осуществляется по напряжению, создаваемому наведенным зарядом на входной емкости измерительного усилителя с последующей обработкой наведенного положительного заряда в блоке обработки информации. Данный электроиндукционный пожарный извещатель обнаруживает частицы дыма диаметром менее 0,1 мкм при концентрации, превышающей порог срабатывания.

Недостатком описанного выше технического решения является измерение заряда, наведенного на индукционном электроде. При этом выходная величина измерительного усилителя пропорциональна концентрации частиц, выраженной в мг/м³, в следствие чего данное устройство не может быть применено в качестве измерителя удельной оптической плотности в пожарном дымовом аспирационном извещателе. Для соответствия нормативным требованиям, определенным в стандартах ГОСТ Р 53325, ГОСТ Р ГОСТ 34698-2020 и СТБ EN 54-20-2009 для аспирационных дымовых пожарных извещателей, результаты измерений и программируемые пороги срабатывания должны быть представлены в виде удельной оптической плотности среды, выраженной в дБ/м, либо в %/м затухания.

Другим недостатком известного технического решения является отсутствие непосредственного контроля величины напряжения высоковольтного импульсного генератора, при снижении которого выходного напряжения высоковольтного генератора прекращается образование коронного разряда, отсутствует заряд частиц дыма и обнаружение дыма не происходит. Таким образом, нарушается работоспособность извещателя при отсутствии сигнала неисправности.

Еще один недостаток известного технического решения - это изменение чувствительности устройства в процессе эксплуатации.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение указанных выше недостатков прототипа, а именно обеспечение измерения удельной оптической плотности среды в дБ/м или в %/м затухания, обеспечение контроля работоспособности и стабильности чувствительности устройства в процессе эксплуатации.

Поставленная задача достигается тем что измеритель удельной оптической плотности дыма, состоящий из цилиндрической дымовой камеры, содержащей зарядную часть, в виде кольца и иглы, подключенных к высоковольтному импульсному генератору с регулятором напряжения, вентилятора и блока обработки информации, дополнительно содержит положительный электрод, расположенный в дымовой камере, резистор, резистивный делитель напряжения, цепь управления вентилятором и аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с положительный электродом и с резистором, другой вывод которого соединен с положительным полюсом источника питания +U₀, выход аналогово-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока обработки информации, второй вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, вход которого соединен с выходом высоковольтного импульсного генератора и с кольцом зарядной части, блок обработки информации включает и выключает вентилятор по цепи управления, производит периодическую юстировку измерителя, формирует сигнал «Неисправность» при снижении выходного напряжения высоковольтного импульсного генератора и сигналы «Внимание», «Пожар 1» и «Пожар 2» на уровнях удельной оптической плотности среды, причем кольцо зарядной части и положительный электрод выполнены из нержавеющей стали с полированными внутренними поверхностями.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими графическими материалами:

На фигуре 1 - Схема измерителя удельной оптической плотности дыма

На фигуре 2 - результаты измерения удельной оптической плотности дыма аспирационным извещателем с заявленным измерителем.

Измеритель удельной оптической плотности дыма содержит цилиндрическую дымовую камеру 1, в которой расположена зарядная часть 2, которая образована кольцом из нержавеющей стали с полированной поверхностью 3 и иглой 4, положительный электрод из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5, вентилятор 6, регулятор напряжения 7, высоковольтный импульсный генератор 8, резистор 9, аналогово-цифровой преобразователь 10, блок обработки информации 11 с выходами сигналов «Внимание», «Пожар 1», «Пожар 2» 12 и с выходом сигнала «Неисправность» 13, резистивный делитель напряжения 14 и цепь управления вентилятором 15.

Кольцо из нержавеющей стали с полированной поверхностью 3 зарядной части 2 соединено с выходом высоковольтного импульсного генератора 8, управляющий вход которого соединен с выходом регулятора напряжения 7, вход которого соединен с иглой 4. Вход аналого-цифрового преобразователя 10 соединен с положительным электродом из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5 и с резистором 9, другой вывод которого соединен с положительным полюсом источника питания +U₀, выход аналогово-цифрового преобразователя 10 соединен с входом блока обработки 11, который имеет выходы сигналов «Внимание», «Пожар 1», «Пожар 2» 12 и выход сигнала «Неисправность» 13. Вход резистивного делителя напряжения 14 подключен к выходу высоковольтного импульсного генератора напряжения 8, а выход - ко второму входу блока обработки информации 11, пятый выход которого через цепь управления вентилятором 15 соединен с вентилятором 6.

Измеритель удельной оптической плотности дыма работает следующим образом: в цилиндрическую дымовую камеру 1 поступают пробы воздушной среды за счет разрежения, создаваемого вентилятором 6. Частицы дыма в потоке воздуха поступают в зарядную часть 2, где формируется коронный разряд за счет разности потенциалов между кольцом из нержавеющей стали с полированной поверхностью 3 и иглой 4 при включении высоковольтного импульсного генератора 8. Положительный электрод из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5 при отсутствии частиц дыма имеет потенциал U₀, который подается на него и на вход аналогово-цифрового преобразователя 10 через резистор 9. При наличии дыма, в зарядной части 2 частицы дыма получают отрицательный заряд, проходят по дымовой камере 1 и притягиваются к положительному электроду из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5. При контакте отрицательно заряженных частиц дыма с положительным электродом из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5 происходит их разряд, что вызывает снижение положительного потенциала на нем и на входе аналогово-цифрового преобразователя 10. Величина потенциала положительного электрода из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5 после аналогово-цифрового преобразования в цифровом виде поступает на вход блока обработки информации 11, где полученная величина преобразуется в значение удельной оптической плотности среды, выраженное в дБ/м или в %/м затухания, и сравнивается с запрограммированными порогами тревог, при превышении которых на выходах 12 формируются сигналы «Внимание», «Пожар 1», «Пожар 2».

Изготовленное из нержавеющей стали кольцо 3 зарядной части 2 с полированной поверхностью обеспечивает стабильность коронного разряда, положительный электрод 5 из нержавеющей стали с полированной поверхностью обеспечивает хороший электрический контакт с заряженными частицами и отсутствие его загрязнения в процессе эксплуатации.

Изменение потенциала на положительном электроде из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5 и на входе аналогово-цифрового преобразователя 10 пропорционально величине удельной оптической плотности среды. Оцифрованная величина потенциала положительного электрода поступает на первый вход блока обработки информации 11, в котором она, посредством деления на постоянный коэффициент, преобразуется в значение удельной оптической плотности среды, выраженное в %/м затухания. Линейная шкала измерения уровня задымления позволяет программировать пороги тревог «Внимание», «Пожар 1», «Пожар 2 в соответствии с требованиями стандартов ГОСТ Р 53325, ГОСТ Р ГОСТ 34698-2020 и СТБ EN 54-20-2009 для аспирационных дымовых пожарных извещателей.

Резистивный делитель напряжения 14 снижает высокое напряжения на выходе высоковольтного импульсного генератора 8 до уровня входного сигнала блока обработки информации 11. Измерение удельной оптической плотности среды в блоке обработки информации 11 производится синхронно с формированием импульсов высокого напряжения и образованием коронного разряда в зарядной части 2 дымовой камеры 1, за счет чего повышается чувствительность измерителя плотности дыма, т.е. обеспечивается возможность измерения меньшей величины удельной оптической плотности среды и боле раннее формирование сигнала тревоги при возникновении пожароопасной ситуации. Одновременно в блоке обработки информации 11 производится измерение амплитуды импульсов высоковольтного генератора 8 с целью обнаружения нарушения работоспособности устройства, при этом на выходе 13 формируется сигнал «Неисправность».

Для обеспечения стабильности характеристик измерителя в процессе эксплуатации периодически производится юстировка нулевого уровня диапазона измерений в автоматическом режиме. Как правило юстировка измерителей удельной оптической плотности производится в условиях оптически чистой среды, что практически невозможно обеспечить в процессе эксплуатации. Отсутствие юстировки снижает точность измерений и может привести либо к формированию ложных тревог, либо к более позднему формированию сигналов тревоги. В реальных условиях даже в относительно чистых помещениях, например, в офисных помещениях, в воздушной среде присутствуют частицы пыли и аэрозоли, что определяет удельную оптическую плотность среды на уровне нескольких тысячных процентов на 1 м затухания. В условиях производства эта величина увеличивается более, чем в 10 раз.

Для имитации чистой воздушной среды периодически в автоматическом режиме блок обработки информации 11 по цепи управления вентилятором 15 производит выключение вентилятора 6, что обеспечивает блокировку воздушного потока в цилиндрической дымовой камере 1. В результате чего прекращается поступление частиц пыли и аэрозоля в зарядную камеру, соответственно отсутствует перенос заряженных частиц к положительному электроду из нержавеющей стали с полированной поверхностью 5. Полученная в этих условиях величина потенциала на входе аналогового-цифрового преобразователя 10 соответствует нулевому уровню удельной оптической плотности среды и результат практически не отличается от юстировки в оптически чистой среде.

Реализованный измеритель удельной оптической плотности дыма обнаруживает задымление начиная с уровня 0,0001 %/м затухания, с формированием сигнала «Внимание» минимально на уровне 0,001 %/м затухания. Обеспечивается обнаружение частиц дыма диаметром менее 0,1 мкм, например, обнаруживается перегрев электрического кабеля до образования видимого дыма.

В процессе разработки проводилось измерение удельной оптической плотности дыма при тлении хлопковой нити в дымовом канале аспирационным извещателем с заявленным измерителем (фиг. 2). Наблюдается линейная зависимость изменений удельной оптической плотности в процессе испытаний. Это доказывает, что предложенный измеритель удельной оптической плотности дыма обеспечивает измерение удельной оптической плотности в %/м затухания.

Измеритель удельной оптической плотности дыма относится к противопожарной технике, а именно к устройствам определения удельной оптической плотности среды в аспирационном дымовом пожарном извещателе, и предназначен для раннего обнаружения признаков пожарной опасности. Для обеспечения измерения удельной оптической плотности среды в дБ/м или в %/м затухания, обеспечения контроля работоспособности и стабильности чувствительности устройства в процессе эксплуатации измеритель удельной оптической плотности дыма, состоящий из цилиндрической дымовой камеры, содержащей зарядную часть, в виде кольца и иглы, подключенных к высоковольтному импульсному генератору с регулятором напряжения, вентилятора и блока обработки информации, дополнительно содержит положительный электрод, расположенный в дымовой камере, резистор, резистивный делитель напряжения, цепь управления вентилятором и аналого-цифровой преобразователь, причем кольцо зарядной части и положительный электрод выполнены из нержавеющей стали с полированными внутренними поверхностями. 2 ил.

Измеритель удельной оптической плотности дыма, состоящий из цилиндрической дымовой камеры, содержащей зарядную часть, в виде кольца и иглы, подключенных к высоковольтному импульсному генератору с регулятором напряжения, вентилятора и блока обработки информации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит положительный электрод, расположенный в дымовой камере, резистор, резистивный делитель напряжения, цепь управления вентилятором и аналого-цифровой преобразователь, вход которого соединен с положительным электродом и с резистором, другой вывод которого соединен с положительным полюсом источника питания +U0, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом блока обработки информации, второй вход которого соединен с выходом резистивного делителя напряжения, вход которого соединен с выходом высоковольтного импульсного генератора и с кольцом зарядной части, блок обработки информации включает и выключает вентилятор по цепи управления, производит периодическую юстировку измерителя, формирует сигнал «Неисправность» при снижении выходного напряжения высоковольтного импульсного генератора и сигналы «Внимание», «Пожар 1» и «Пожар 2» на уровнях удельной оптической плотности среды, причем кольцо зарядной части и положительный электрод выполнены из нержавеющей стали с полированными внутренними поверхностями.