Способ обнаружения очагов самовозгорания угля и устройство для его осуществления Советский патент 1987 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к технике безопасности и противопожарной технике и может быть использовано на угольных шахтах для раннего обнаружения и идентификации загораний угля, метана или угольной пыли с целью подачи аварийных сигналов или выдачи управляющих сигналов на автоматическое тушение возникающих пожаров.

Целью изобретения является повышение помехоустойчивости обнаружения очагов самовозгорания и повышение надежности идентификации типа пожара.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы на основании полученных инфракрасных спектров очагов самовозгорания угля, загорания метана или пыли, а также спектров шахтных электрических светильников создать такой способ., с помощью которого можно было бы обнаружить пожар, идентифицировать его ид, отстроиться от влияния изменений концентрации пыли и влаги и устранить мешающее действие засветок от источников местного электрического освещения. Достичь эту цель напрямую анализом спектра очага пожара невозможно из-за существенной деформации спектра от изменений концентрации пыли и.влаги, а также из-за засветок приемника инфракрасного излучения источниками электрического местного освещения. Переходы отношений электрических сигналов J /J , Jg/Jg,. J,/J,j через единицу подчиняются закономерности, которая не зависит от влияния изменений концентраций пьши и влаги в шахтной атмосфере, от засветок приемника светильниками местного освещения, от расстояния до очага пожара, от концентрации метана, углекислого и угарного газов и других компонентов шахтной атмосферы, а однозначно определяется типом возникающего пожара.. На этой-основе созданы принципиально новые способы и устройство для обнаружения очагов пожара в шахтах.

На фиг.1 показана функциональная схема устройства; на фиг. 2 - схема включения полупроводниковых иммерсионных болометров; на фиг. 3 - конструкция датчикаj вид сбоку, корпус датчика и полупроводниковый иммерсионный болометр показаны в разрезе; на фиг. 4 - то же, вид сверху.

Устройство для обнаружения очагов самовозгорания угля содержит первый

. 1J второй дополнительный 2 и Tpefий дополнительный 3 приемники инфракрасного излучения, первый 4, второй 5 и третий 6 блоки деления, первый 7,

второй 8 и третий 9 двухпороговые компараторы, первый 10, второй 11 и третий 12 элементы И, первый 13, второй 14 и третий 15 блоки сигнализаQ ции. Выход первого приемника 1 инфракрасного излучения соединен с первыми входами первого 4 и третьего 6 блоков деления. Выход третьего приемника 3 инфракрасного излучения соединен

5 с вторым входом первого 4 и с первым входом второго 5 блоков деления.Выход второго Приемника 2 инфракраснр- го излучения соединен-с вторыми входами второго 5 и третьего 6 блоков

0 деления.

Выходы блоков деления 4-6 соединены соответственно с входами двух- .пороговых компараторов 7 - 9. Прямой выход а первого компаратора 7 сое5 динен с первыми входами первого 10 и третьего 12 элементов И, а его ий- , вареный выход б соединен с первым ; входом второго элемента И 11. Прямой выход а второго компаратора 8 сое0 динен с третьими входами второго 11 и третьего 12 элементов И, а инверсный его выход б соединен с вторым входом первого элемента И 10. Прямой выход а третьего компаратора 9 соединен с третьим входом первого элемента И 10, а его инверсный выход б соединен с вторыми входами второго 1 1 и третьего 12 элементов И,

Выход первого элемента И 10 сЬедиQ нен с входом первого блока сигнализации 13. Выход второго элемента И 1I соединен с входом второго блока сигнализации 14. Выход третьего элемента И 12 соединен с входом третьеg го блока сигнализации 15.

В состав устройства для обнаружения очагов самовозгорания угля входит также модулятор инфракрасного излучения, выполненный в виде круговой диафрагмы, в шести равных секторах которой чередуются прозрачные 16 - 18 и непрозрачные 19-21 секторы, с осевым приводом. Приемники 1 - 3 выполнены в виде полупроводниковых

иммерсионных болометров, на входе из которых имеется полусферическая линза 22 из германия диаметром D. Осевой привод представляет собой элект- родвигатель с редуктором 23, на вы0

ходном валу 24 которого заклепкой 25 закреплена шестисекторная диафрагма 26, Перед первым приемником 1 закреплен первый полосовой фильтр 27 на диапазон пропускания длин волн 3,1 - 3,5 мкм. Перед вторым.приемником 2 аналогично закреплен второй полосовой фильтр 28 на диапазон пропускания длин волн 4,1 - 4,5 мкм, а перед входом третьего приемника 3 также аналогично закреплен третий полосовой фильтр 29- на диапазон пропускания длин волн 10 - 11,1 мкм.

Приемники 1 - 3 и модулятор собраны в виде единого датчика (фиг.З и 4), Полосовые фильтры.25 - 27 закреплены перед полусферическими линзами из германия на входах приемников 1-3. Приемники 1 - 3 установлены осесимметрично йа окружности, диаметр которой Т 2D . В центре этой окружности установлен электродвигатель с редуктором 23, на выходном валу 24 которого заклепкой 25 закреплена шестисекторная диафрагма 26. Приемники 1-3, электродвигатель с редуктором 23 и шестисекторная диафрагма смонтированы в общем

10

торы 19 - 21 и 1-Ж-излучение на прием ники не попадает.

Способ обнаружения очагов самовоз горания осуществляют в следующей пос ледовательности .

Инфракрасное излучение одновремен но регистрируют тремя приемниками в диапазонах длин волн 3,1 - 3,5 мкм, 4,1 - 4,5 мкм и 10-11,1 мкм и получа ют J

3

3 электрических сигнала J Определяют три отношения электрических сигналов

J,/J,.

J,/J,,

f

g Сравнивают полученные отношения сигналов с единицей.

Если J, /Jj : 1. то идентифицируют загорание угля и подают-соответствующий сигнал. 20 Если J /Jj 7 1 , 1 , J,/Jj то идентифицируют загорание метана и подают соответствующий сигнал.

Если 1, 7 1, TO идентифицируют загорание угольной 25 пыли и подают соответствующий сигнал

Устройство для обнаружения очагов

самовозгорания работает следующим об разом.

При включении напряжения питания

корпусе 30, закрытом со стороны диаф- ЗО блоки и элементы устройства

рагмы 26, прозрачной для ИК-излучения в диапазоне длин волн не менее

чем 3,1 - 1,1 мкм крьшлкой 31 . На

фиг,4 непрозрачные для ИК-излучения

в диапазоне длин волн 3, - 11,1 мкм

секторы 19-21 заштрихованы.

Каждый из полупроводников1з1х иммерсионных болометров 1,2 или 3 состоит из рабочего 32 и компенсационного 33

35

электродвигатель с редуктором 23 начинает вращать выходной вал 24 и ди афрагму 26 с угловой скоростью 6 - 7 об./с, что соответствует частоте модуляции инфракрасного излучения на приемники 1 - 3 соответственно 18 - 21 Гц. Если частота вращения меньше, то сильнее сказываются шумы приемников, а при увеличении частоэлементов и резисторов 34 и 35, кото- 40 одуляции от 20 до 25 Гц отношение сигнал/шум на выходе приемников 1 - 3 уменьшается в 1,2 -.1,5 раза, В результате . вращения диафрагмы 26 с частотой Зп (где п - число оборотов диафрагмы в секунду) модулируется по синусоидальному закону с глу биной модуляции, равной единиц е, поток инфракрасного излучения на приемники 1-3, причем потоки излучения на все приемники синфазные (одновременно открываются прозрачными и одновременно закрываются непрозрачными секторами диафрагмы все 3 приемника), На первый приемник 1 че рез первый полосовой фильтр 27 попа дает модулированный с частотой Зд поток инфракрасного с длинами волн 3,1 - 3,5 мкм. Аналогично на второй приемник 2 попадает мо-

рые включены в мостовую схему, питаемую от стабилизированного источника напряжения 36 (как показано на фиг,2)

С второй диагонали моста болометров снимается сигнал и подается на блоки деления 4 - 6.

Контактами 37 приемники, а контактами 38 двигатель включаются в схему.

В показанном на фиг,4 положении диафрагмы 26 все приемники 1 - 3 открыты и через крьппку-31, прозрачные секторы 16 - 18 диафрагмы и полосовые фильтры 27 - 29 ИК-излучение соответствующих диапазонов длин волн попадает на полусферические линзы 22 из германия приемников 1 - 3, При повороте диафрагмы на 60° против приемников 1 - 3 стают непрозрачными сек0

торы 19 - 21 и 1-Ж-излучение на приемники не попадает.

Способ обнаружения очагов самовозгорания осуществляют в следующей последовательности .

Инфракрасное излучение одновременно регистрируют тремя приемниками в диапазонах длин волн 3,1 - 3,5 мкм, 4,1 - 4,5 мкм и 10-11,1 мкм и получают J

3

3 электрических сигнала J Определяют три отношения электрических сигналов

J,/J,.

J,/J,,

f

Сравнивают полученные отношения сигналов с единицей.

Если J, /Jj : 1. то идентифицируют загорание угля и подают-соответствующий сигнал. 0 Если J /Jj 7 1 , 1 , J,/Jj 1 , то идентифицируют загорание метана и подают соответствующий сигнал.

Если 1, 7 1, 1, TO идентифицируют загорание угольной 5 пыли и подают соответствующий сигнал.

Устройство для обнаружения очагов

самовозгорания работает следующим об- разом.

При включении напряжения питания

5

электродвигатель с редуктором 23 начинает вращать выходной вал 24 и диафрагму 26 с угловой скоростью 6 - 7 об./с, что соответствует частоте модуляции инфракрасного излучения на приемники 1 - 3 соответственно 18 - 21 Гц. Если частота вращения меньше, то сильнее сказываются шумы приемников, а при увеличении часто одуляции от 20 до 25 Гц отноше

ние сигнал/шум на выходе приемников 1 - 3 уменьшается в 1,2 -.1,5 раза, В результате . вращения диафрагмы 26 с частотой Зп (где п - число оборотов диафрагмы в секунду) модулируется по синусоидальному закону с глубиной модуляции, равной единиц е, поток инфракрасного излучения на приемники 1-3, причем потоки излучения на все приемники синфазные (одновременно открываются прозрачными и одновременно закрываются непрозрачными секторами диафрагмы все 3 приемника), На первый приемник 1 через первый полосовой фильтр 27 попадает модулированный с частотой Зд поток инфракрасного с дли нами волн 3,1 - 3,5 мкм. Аналогично на второй приемник 2 попадает мо-

дулированный поток излучения с длинами волн 4,1 - 4,5 мкм, а на третий - с длинами волн 10 - 11,1 мкм.

Если от стабилизироваиного источника напряжения 36 на мостовые схе- мы болометров подается питание, то на выходах болометров возникают синусоидальные электрические сигналы J , J. , J« , амплитуды которых пропорциональны интенсивности инфракрас- ного излучения в диапазонах длин волн 3,1 - 3,5; 4,1 - 4,5 и 10 - 11,1 мкм соответственно на болометры 1-3.

Сигналы J, и J поступают на входы первого блока деления 4, на вы- ходо которого формируется сигнал

1 /J .Сигналы J.

и Jj поступают

на входы второго блока деления 5, на выходе которого формируется сиг- нал Jj/Jj. Сигналы J и Jj поступают на входы третьего блока деления 5, на выходе которого формируется сигнал Ji/Jj

Сигналы ,, Jj/Jj , блоков деления 4-6 поступают на входы соответствующих двухпороговых компараторов 7 - 9.

В каждом из компараторов 7-9 входной сигнал сравнивается с единицей.

Если входной сигнал меньше единицы, то на инверсном выходе б компаратора формируется единичный сигнал. Если входной сигнал компаратора больше, то единичный сигнал формируется на прямом выходе а компараТаким образом согласно способу и в устройстве сигналы о том или ином пожаре в шахте появляются лишь при вьтолнении одного из трех комплексных условий, каждое из которых состоит из трех элементарных услойий.

При нормальных условиях в шахте (температура 15 - 40 С), отсутствии пожара и локальных засветок приемтора.

На первый вход первого элемента JQ И 10 единичный сигнал с орямого выхода компаратора 7 поступает лишь при условии . 7 1. На второй вход первого элемента И 10 единичный сигнал

с инверсного выхода компаратора 8 пос- ников электрическими шахтными све- тупает лишь при Jj/Jj 1. На третий тильниками приемники принимают инфра- вход первого элемента И 10 единичный сигнал с прямого выхода компаратора 9 поступает лишь при условии .7

50

При появлении на всех Трех входах элемента И 10 единичных сигналов (т.е. при одновременном выполнении трех условий 1, Jj/Jj 1, и 7 1) на его выходе появляется сигнал и включается первый блок сигнализации, сигнализирующий о загорании метдна.

, На первый вход второго элемента И 11 единичный сигнал поступает с

55

красное излучение от угля, вмещающих пород, стоек крепи, горных машин, от шахтеров, находящихся в поле зрения приемников, и т.п. Спектры излученил предметов и людей в шахте таковы,что максимум в спектре попадает на диапазон длин волн 9-10 мкм, а интенсивности излучения на других длинах волн справа и слева от максимума плавно уменьшаются по мере удаления от максимума. При этом выполняются условия

J3

4J.

Jj7 J,

сигналы на выхо дах элементов И отсутствуют.

5

0

0

5

инверсного выхода компаратора 7 лишь при условии , На второй вход второго элемента И 11 единичный сигнал поступает с инверсного выхода компаратора 9 лишь при условии

1 .

На третий вход элемента И 11 единичный сигнал поступает с прямого выхода компаратора 8 лишь при условии Jj,/Jj7 1. Лишь при появлении на всех трех входах элемента И 11 (т.е. при одновременном выполнении трех условий J, /Jj 1 , J , /Jz 1 и J /J, 1 ) единичных сигналов на его выходе появляется сигнал и включается второй блок сигнализации, сигнализирую- щтй о загорании угольной пыли.

На первый вход третьего элемента И 12 единичный сигнал поступает с прямого выхода компаратора 7 лишь при выполнении условия 1. На второй вход элемента И 12 единичный сигнал с инверсного выхода компаратора 9 поступает лишь при вьтолнении условия На третий вход элемента И 12 единичный сигнал с прямого выхода компаратора 8 поступает лишь при выполнении условия )) 1. Лишь при появлении на всех входах элемента И 12 (т.е при одновременном выполнении условий 1 1 и Jj/J, 7 1) на его вьпсоде появляется сигнал и включается третий блок сигнализации, сигнализирующий о загорании угля.

Таким образом согласно способу и в устройстве сигналы о том или ином пожаре в шахте появляются лишь при вьтолнении одного из трех комплексных условий, каждое из которых состоит из трех элементарных услойий.

При нормальных условиях в шахте (температура 15 - 40 С), отсутствии пожара и локальных засветок приемQ

ников электрическими шахтными све- тильниками приемники принимают инфра-

ников электрическими шахтными све- тильниками приемники принимают инфра-

красное излучение от угля, вмещающих пород, стоек крепи, горных машин, от шахтеров, находящихся в поле зрения приемников, и т.п. Спектры излученил предметов и людей в шахте таковы,что максимум в спектре попадает на диапазон длин волн 9-10 мкм, а интенсивности излучения на других длинах волн справа и слева от максимума плавно уменьшаются по мере удаления от максимума. При этом выполняются условия

4J.

Jj7 J,

сигналы на выхоэлементов И отсутствуют.

При появлении в поле зрения приемников электрического шахтного светильника на них падает поток инфракрасного излучения с максимумом интенсивности (в зависимости от типа светильника и расстояния до него) в диапазоне длин волн 0,8-2 мкм. При этом выполняются условия J Jj и сигналы на выходах элементов И от- сутствуют.

При возникновении взрыва метана в шахте его концентрация в шахтной атмосфере лежит в пределах 5 15%. Температура воспламенения метана ле- жит в пределах 650-150°С что соответствует длинам волн 3,14 - 2,83 мкм При загорании метана (взрыве) максимум в спектре интенсивности инфракрасного излучения приходится на дна пазон волн 3,1-3,5 мкм и выполняются условия I, Jj/Jj -; 1 и J /Jj 1. При этом появляется сигнал на выходе первого элемента И-10.

При возникновении взрыва угольной пыли в шахте максимум в спектре инфркрасного излучения приходится на диапазон длин волн 4,1-4,3 мкм и в момент взрыва вьшолняются условия j.: 1, Jj/J, 7 1 , и J /Jj 4 1. Сра- батывает элемент И 1 I.

При самовозгорании угля в шахте в спектре инфракрасного излучения лч га пожара наблюдаются два максимума с диапазонами длин волн 3,1-3,5 мкм и 4,1-4,5 мкм.

В момент возникновения загорания угля выполняются условия 1, Jj/Jj 1 и 1. Срабатьгоает элемент И 12 и подает сигнал в блок сигнализации 15.

Формула изобретения I

1. Способ обнаружения очагов самовозгорания угля, основанный на реги- страции инфракрасного излучения из очага, отличающийся тем, ;Что, с целью-повышения помехоустойчи :вости обнаружения очагов самовозго- Iрания и повьшения надежности иденти- фикации типа пожара, инфракрасного излучения регистрируют в трех диапазонах длин волн 3,1-3,5 мкм, 4,1 - 4,5 мкм и 10 - 11,1 мкм с получением соответствующих электрических сигна- лов J, Jj и Jj, определяют отношения сигналов J,/J-, и , сравнивают полученные отношения с единичными уставками и пои вьшолнени

g

5 (j

о

5 0 5

5

условий J /Jj 7 1, Jj/J, 1 И

идентифицируют загорание угля, при выполнении условий 1, 1 и 7 1 идентифицируют загорание метана, а при выполнении условий J /Jj 1 , 2 J /J 2 1 идентифицируют загорание угольной пыли.

2.Устройство для обнаружения очагов самовозгор ания угля, содержащее приемник инф ракрасного излучения и блок сигнализации, отличающееся тем, что, с целью повьште- ния помехоустойчивости обнаружения очагов самовозгорания и повышения- надежности идентификации типа очага оно снабжено дополнительными вторым

и третьим приемниками инфракрасного излучения, тремя блоками деления, тремя полосовыми фильтрами, тремя двухпороговыми компараторами, тремя элементами И, дополнительными вторым и третьим блоками сигнализации и модулятором инфракрасного излучения, причем выход первого приемника инфракрасного излучения соединен с первыми входами первого и третьего блоков деления, выход третьего дополнительного приемника инфракрасного излучения соединен с вторым входом первого и с первым входом второго блока деления, а вьпсод второго дополнительного приемника инфракрасного излучения соединен с вторыми входами второго и третьего блоков деления, выходы блоков деления соединены с входами соответствующих двухпороговых компараторов, выходы каждого из которых соединены с входами элементов И, к выходам которых подключены соответствующие блоки сигнализации, при этом полосовые фильтры и модулятор инфракрасного излучения установлены перед приемниками инфракрасного излучения.

3.Устройство по п.2, отли чающееся тем, что, с целью повьш1ения дальности обнаружения,приемники инфракрасного излучения выполнены в виде полупроводниковых иммерсионных болометров, установленных осесимметрично на окружности, диаметр которой равен удвоенному диаметру линзы полупроводникового иммерсионного болометра.

4.Устройство по п.2, отли- чающе е с я тем, что модулятор инфракрасного излучения выполнен в виде круговой шестисекторной диафрагмы с осевым приводом.

372ff

X

2ff 2SЗв.

фи.З

Изобретение относится к технике безопасности и противопожарной тех- нике на угольных шахтах. Цель изобретения - повышение помехоустойчивости обнаружения очагов самовозгорания и надежности идентификации типа пожара. Для этого из ачага пожара регистрируют приемниками 1, 2 и 3 инфракр асное излучение (ИКИ) в трех диапазонах длин волн (ДЦВ) 3,1 - 3,5 мкм; 4,1-4,5 мкм и 10-11,1 мкм с получением соотв.зл. сигналов J., Jj и Jj. С помощью блоков 4-6 деления определяют отношения сигналов , Jj/J, . Полученные отношения сравнивают с помощью компараторов 7, 8 и 9 с единичными уставками. При загорании метана максимум в спектре интенсивности ИКИ приходится на ДЦВ 3,1-3,5 мкм и выполняются условия J,/Jj 1, Jj/Jj 1 и . При зтом появляется сигнал на выходе элемента И IО и срабатывает блок сигнализации (БС) 15. В момент взрыва угольной пыли в ДЦВ 4,1-4,5 мкм при выполнении условия J /J, 1, Jj/Jj 1 и 1 срабатывают элемент И 11 и БС 14. В момент загорания угля выполняются условия I, il- и Срабатывает элемент И 12 и подает сигнал в БС 15. При этом .в спектре ИКИ наблюдаются два максимума с ИВ 3,1-3,5 и 4,1-4,5 мкм. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил. (Л 00 00 о со ND

J8

30

ГЗ

re

Редактор Н.Горват

Составитель И.Наэаркина Техред Л.Сердюкова

Заказ 3559/35

Тираж 429Подписное

ВНРШПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная, 4

Корректор М.Пожо