Устройство обнаружения возгораний в пневмотранспорте Советский патент 1993 года по МПК A62C37/00 A62C3/04 

Изобретение относится к области оптико-электронных противопожарных средств и может быть использовано для извещения возгораний в пневмотранспортах.

Для технологического перемещения различного рода волокнистых илизернистых воспламеняющихся материалов широко используется и весьма удобен закрытый пневмотранспорт. Как показывает практика, при выполнении подобных операций может произойти случайное воспламенение части материала, идущего по пневмопрово- ду Причиной возгораний могут быть искры, вызванные ударами металлических и абразивных частиц, или тлеющие угли, возникающие в процессе сушки транспортируемого материала. Несвоевременное обнаружение этих источников воз гора ни и. может привести к воспламенению всей массы материала, как перемещаемого по пневмопроводу, так и хранящегося в месте выброса, т.е. к серьезной аварии. Устройство обнаружения возгораний должно иметь высокую чувствительность, достаточную для обнаружения

слабого излучения тлеющей частицы (угля) через массу довольно плотного (до 30%) материала, перемещаемого вместе с частицей со скоростью от единиц до десятков метров в секунду, т.е. за время порядка нескольких миллисекунд.

Известно устройство обнаружения тлеющих частиц, содержащее фоторезистор, соединенный последовательно с резистором через источник напряжения, дифференцирующую цепочку, усилитель и исполнительные элементы. Благодаря использованию дифференцирующей цепочки устройство не реагирует на изменения сот противления элемента, вызванные медленно меняющейся фоновой засветкой, старением или температурными колебаниями окружающей среды. Однако..недостатки фоторезистора, такие как:

- большая инерционность, обусловлен- . ная значительным временем жизни неравновесных носителей в полупроводнике;

- невысокая, в сравнении с фотодиодами, интегральная чувствительность, особен ч Ю СЯ 00 О 4

OJ

но при быстрых изменениях падающих потоков света;

- сильная зависимость чувствительности от температуры окружающей среды, когда электрон может получить энергию за счет тепловых колебаний, соизмеримую с энергией фотонов в длинноволновой области спектра;

могут существенно снизить обнаружи- тельную способность устройства в реальных условиях эксплуатации. Кроме того, может значительно снизить чувствительность фоторезистора и. внешняя фоновая засветка (например, дневное излучение), обусловленная негерметичностью пневмоп- ровода в зоне обнаружения. При этом оператор не информируется о возникшей неисправности и, соответственно, об ухудшении основной характеристики устройства-чувствительности.

Наиболее близким по решаемой задаче является фотометрическое устройство обнаружения возгораний, содержащее последовательно расположенные фотодиодный приемник излучения, инвертирующий операционный усилитель и исполнительные элементы - детектор и релейное пороговое устройство.

Широко используемые в фотометрических устройствах кремниевые фотодиоды выгодно отличаются от фоторезисторов, так как имеют высокую (на порядок большую, чем у фоторезисторов) интегральную чувствительность, малую инерционность, небольшое рабочее напряжение и т.д. Эксперименты показали, что излучение тлеющей частицы в видимом и ближнем ИК диапазоне спектра может быть зафиксировано фотоприемным устройством со значительным ( 104 - 1(г) коэффициентом усиления сигнала с фотодиода в диапазоне частот от 5 до 200 Гц. Дополнительным обязательным требованием к устройству является регистрация постоянной внешней фоновой засветки, вызванной, например, негерметичностью пневмопровода, наличие которой приводит к существенному снижению обнаружительной способности устройства из-за насыщения фотодиода.

Известное устройство позволяет регистрировать излучение в широкой области частот, в том числе и постоянную составляющую. Однако, оно не обладает высокой обнаружительной способностью, т.к., в силу неидеальности характеристик операционных усилителей, не позволяет реализовать требуемые ( 104 - 105) коэффициенты уси- ления. Воздействия на вход реального усилителя хотя и незначительных (единицы милливольт) постоянных паразитных сигналов, связанных с наличием входного напря- .жения сдвига (входного тока смещения, входного тока сдвига) и обусловленных технологическими отклонениями при изготовлении и дрейфом характеристик под влиянием температуры и времени, приводит уже при коэффициенте усиления 1000 к постоянному паразитному сигналу на выходе в несколько вольт, что недопустимо.

Таким образом, подобные устройства могут использоваться с коэффициентом усиления не более 500, что вполне хватает для регист- .рации постоянной внешней фоновой засветки, но явно недостаточно для

5 обнаружения сигналов пролетающих искр или тлеющих частиц. При этом введение второго каскада усиления только увеличит постоянной паразитный сигнал на выходе устройства, а использование разделитель0 ного конденсатора между каскадами усиления приведет к потере информации о наличии постоянной внешней фоновой засветки и резкому снижению чувствительности устройства.

5Целью изобретения является повышение надежности обнаружения при одновременном упрощении устройства.

Поставленная цель достигается тем-, что в устройстве обнаружения возгораний в

0 пневмотранспорте, включающем последовательно расположенные фотодиодный приемник излучения, операционный усилитель с отрицательной обратной связью, пороговый детектор и релейное устройство, в

5 усилитель введено дополнительное устройство отрицательной обратной связи из интегрирующей цепочки в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора с диодом сброса, подключенным

0 параллельно резистору, и истокового повторителя, выход которого через дополнительный резистор соединен с инвертирующим входом усилителя.

Нафиг. 1 приведено схематическое изо5 бражение предложенного устройства, использованного при проектировании системы обнаружения тлеющих частиц в пневмотранспорте цехов по производству древесно-стружечных плит (на примере кон0 кретного выполнения опытного образца).

Устройство содержит последовательно расположенные фотодиодный приемник 1, операционный усилитель с отрицательной обратной связью и одним источником пйта5 ния 2, пороговый детектор 3 и релейное устройство 4, а также интегрирующую цепочку в виде последовательно соединенных резистора 5 и конденсатора 6 с диодом сброса 7, истоковый повторитель 8, выход которого через резистор 9 соединен с инвертирующим входом усилителя 2. В предложенном устройстве операционный усилитель имеет две обратные связи: быстродействующую, при которой коэффициент усиления определяется значениями

сопротивлений 10 и 11 - Куб : . иэадерRII

жанную с коэффициентом усиления

Ку3 ---.Зависимость коэффициента усиR11ления операционного усилителя с обратными связями от частоты входного сигнала изображена на фиг. 2.

Предложенное устройство работает следующим образом. В исходном состоянии, для обеспечения полного размаха выходного напряжения при питании отодногр источника, на инвертирующем входе усилителя создают искусственное опорное напряжение относительно земли. При этом на выходе усилителя также появляется постоянный сигнал, примерно равный опорному напряжению. Величина опорного напряже- ния выбирается меньшей порогового в детекторе 3, поэтому сигнал в релейное стройство не проходит.

В случае возникновения пожарной сиуации, например, при пролете тлеющей частицы через поле зрения фотодиода, импульсный сигнал длительностью 50 млсек с фотодиодного приемника 1 усиливается в 2 с коэффициентом усиления Куб, так как истоковый повторитель 8 не реагирует на импульсное воздействие, и поступает на вход порогового детектора 3. При превышении порогового значения напряжения в детекторе 3 сигнал поступает- на релейное устройство, которое вырабатывает сигнал тревоги и дает команды исполнительным механизмам. Так как значение Куе устанавливается близким к максимальному для опе рационного усилителя и равным 104- 10s, то это дозволяет надежно фиксировать излучение пролетающих тлеющих частиц и достигать порога срабатывания детектора 3, в пределах пороговой чувствительности фоодиода.

При возникновении постоянной фоновой засветки в пневмопроводе, существенно превышающей интенсивность излучения леющей частицы, или воздействии на входную цепь операционного усилителя постонного паразитного сигнала, связанного с рейфом напряжения сдвига, протеканием оков смещения и сдвига, благодаря наличию на выходе усилителя последовательной цепочки из резистора 5 и конденсатора 6 и истокового повторителя 8 усиление происходит с меньшим коэффициентом Куз, который устанавливается равным 200-500 (см, фиг. 2). Это позволяет селектировать импульсные и постоянные информативные и ложные воздействующие сигналы, значи- 5 тельно разнящиеся по интенсивности. В частности, обеспечивать срабатывание порогового детектора при воздействии излучения пролетающей тлеющей частицы и постоянной фоновой засветки и исключать

0 прохождение паразитных постоянных сигналов, обусловленных неидеальностью опе- рационнь усилителей. . Таким образом, при создании надежного устройства обнаружения возгораний по

5 предложенной схеме, реагирующего на излучение тлеющей частицы на уровне близком к предельной чувствительности . фотодиодов в фотогальваническом режиме, где они имеют наибольшее отношение сиг0 нал-шум, достаточно одного операционного усилителя с однополярным питанием, что значительно упрощает и удешевляет все устройство в целом. Наряду с этим оператор информируется о появлении внешней фоно5 вой засветки, которая может значительно снизить обнаружительную способность устройства, так как наличие большой постоянной составляющей излучения вводит фотодиод в область насыщения.

0 На нашем предприятии была проведена конструкторская разработка и изготовлена опытная партия предлагаемого устройства обнаружения возгораний. В нем использованы кремниевый фотодиод ФД24К, опера5 ционный усилитель КР544УД1А и истоковый повторитель на транзисторе КПЗОЗВ. Наличие двух обратных связей позволило реализовать перепад коэффициентов усиления импульсного излучения тлеющей частицы и

0 постоянного сигнала примерно равный двум порядкам (см. фиг. 2). Устройство реагирует как на воздействие импульсного, так и постоянного излучения и нечувствительно к влиянию напряжения сдвига и токов сме5 щения и сдвига.

Экспериментальные испытания опытного образца предложенного устройства на пневмопроводе диаметром 1000 мм, транспортирующем изм.ельчённую древесину со

0 скоростью 10-20 м/с при плотности среды материала 15-20%, в цехе по производству древесно-стружечных плит подтвердили его высокую эффективность. Так, в течение месячного цикла испытаний опытного образца

5 было зафиксировано примерно 150 случаев . возникновения тлеющих частиц. Пропусков тлеющих частиц, приводящих к возгораниям не наблюдалось. Имитация нарушения светогерметичности пневмопровода надеж- но регистрировалась устройством. При аналогичных испытаниях объекта-прототипа практически ежедневно наблюдались пропуски тлеющих частиц.

Таким образом, предложенное новое конструктивное решение устройства благодаря расширению функциональных возможностей, повышению чувствительности

при одновременном упрощении позволило существенно увеличить надежность обнаружения тлеющих частиц.

Новая совокупность существенных признаков позволила получить качественно новый эффект. Техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

Использование: извещение возгораний в пневмотранспорте. С помощью предложенного устройства значительно повышается надежность обнаружения. Сущность изобретения: устройство содержит последовательно расположенные фотодиодный приемник излучения, операционный усилитель с отрицательной обратной связью, пороговый детектор и релейное устройство, в усилитель введено дополнительное устройство отрицательной обратной связи на интегрирующей цепочки в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора с диодом сброса, подключенным параллельно резистору, и истокового повторителя, выход которого через дополнительный резистор соединен с инвертирующим входом усилителя. 2 ил.

Формула и зо б р е т е н и я Устройство обнаружения возгораний в пневмотранспорте, включающее последовательно расположенные фотодиодный приемник излучения, блок усиления из операционного усилителя и устройства обратной связи, включенного между выходом и инвертирующим входом усилителя, пороговый детектор и релейный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения

надежности обнаружения, введено дополнительное устройство обратной связи из интегрирующей цепочки в виде последовательно соединенных резистора и конденсатора с диодом сброса, включенным параллельно резистору, и истокового повторителя, выход которого через дополнительно введенный резистор соединён с инвертирующим входом операционного усилителя.

Hill