Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №1

Оптоэлектронные датчики пламени

Горбунов Николай  
Дийков Лев  
Медведев Федор  
Анисимова Наталья  

В статье изложены новые принципы разработки и организации производства оптоэлектронных датчиков пламени. Эффективность этих принципов подтверждена популярностью пожарных датчиков пламени из серии «Набат», разработанных в ОАО «НИИ «Гириконд» и многократно отмеченных золотыми и серебряными наградами на международных выставках и симпозиумах.

Oсновные положения разработки оптоэлектронных датчиков пламени сводятся к следующим:

  • В ходе разработки пожарных датчиков особое внимание следует уделять основному функциональному элементу, определяющему тактико-технические и эксплуатационные характеристики датчика — приемнику излучения. Его изготовление должно являться составной частью технологического процесса изготовления датчика в целом.
  • Адекватность датчика разнообразию видов возгорания достигается за счет вариативности фотоэлектрических характеристик приемника излучения.
  • Адаптация датчиков к условиям эксплуатации и совместимость их с приемно-контрольными приборами (в том числе адресными) достигается применением специальных конструкций и электронных схем обработки сигналов.
  • Средства контроля работоспособности датчика своими оптическими характеристиками должны соответствовать реальным очагам пожара.
  • Привычное положение в практике взаимоотношений изготовителя и потребителя — «используйте то, что мы можем делать» должно смениться другим — «мы сделаем то, что вам нужно».

Адекватность датчика разнообразию видов возгорания

В течение последних пяти лет в ОАО «НИИ «Гириконд» были созданы новые полупроводниковые материалы и технологии, не имеющие мировых аналогов и позволившие разработать новые полупроводниковые многоспектральные, многоэлементные фотогальванические приемники излучения (в дальнейшем — приемники излучения), непосредственно преобразующие излучение пламени и фоновых оптических помех в фото-ЭДС [1, 2]. Использование такого приемника излучения в качестве основного функционального элемента в оптоэлектронных датчиках пламени позволяет обнаружить и идентифицировать пламя с использованием принципа спектральной селекции, когда выделение излучения пламени на фоне разнообразных оптических помех осуществляется регистрацией в спектре его излучения «светящихся» продуктов горения, например паров воды и углекислого газа [3]. Для обнаружения пламени в таком варианте идентификации не требуется наличия колебаний (мерцаний) интенсивности излучения, что является необходимым условием работы и главным принципиальным недостатком всех известных отечественных и зарубежных датчиков пламени, поскольку необходимость работы по «мерцающим» источникам обусловливает высокую вероятность ложных срабатываний от широко распространенных «мерцающих» оптических помех.

Варьируя состав полупроводникового материала и спектр пропускания интерференционных фильтров, входящих в состав приемника излучения, можно получать спектральные характеристики чувствительности оптоэлектронных датчиков пламени, которые будут соответствовать всему многообразию спектров излучения очагов пожара, имеющих различную динамику возгорания и развития и обусловленных горением различных материалов.

На рисунке приведены спектральные характеристики фоточувствительных элементов, сформированные указанным выше способом, а в таблице — их комбинации в приемнике излучения, каждая из которых обеспечивает возможность регистрации соответствующих типов очагов пожара на фоне наиболее распространенных оптических помех (солнечный свет, излучение люминесцентных и электрических ламп накаливания, разрядов молнии и вспышек электросварки). Сопоставляя сигналы, поступающие от каждого из фоточувствительных элементов с соответствующей спектральной характеристикой, можно с высокой степенью достоверности определить, является ли это излучение следствием возникшего очага пожара или это оптическая помеха.

Рисунок. Относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСХЧ) фоточувствительных элементов многоспектрального полупроводникового приемника излучения
Таблица. Спектральные характеристики фоточувствительных элементов

Приведем перечень наиболее характерных материалов, очаги возгорания которых должны обнаруживаться разработанными опто-электронными датчиками пламени.

  • Объекты, горящие с выделением дыма (ТП-1,ТП-4, ТП-5): различные виды древесины, дизельное топливо и бензины, топливо для реактивных двигателей и горюче-смазочные материалы, трансформаторное масло и рабочие масла компрессоров и насосов, пластмассовые изделия.
  • Легко воспламеняющиеся жидкости, горящие без выделения дыма (ТП-6): метан, этан, пропан, бутан, спирты — метанолы, этанолы, пропанолы, ацетон.
  • Группы веществ, способные к несанкционированному разогреву и тепловыделению (ТП-2, ТП-3,): тлеющие древесина, хлопок, мука, зерно, торф, уголь и угольная пыль.
  • Легковоспламеняющиеся вещества, не содержащие углерода: водород, аммиак, гидразины, азид натрия и другие, у которых спектры поглощения лежат в диапазоне 1,5–5 мкм.
  • Характерные взрывные процессы: взрывы метановоздушноугольной пыли, взрывы летучих углеводородных смесей, взрывы при нарушении техники безопасности в производстве взрывчатых веществ.

На сегодня можно считать, что проблема создания датчика, чувствительного ко всему многообразию видов очагов возгорания, успешно решена.

Адаптация к приемно-контрольным приборам

Для полной адекватности датчика требуемым условиям пожаробезопасности адаптация должна осуществляться не только по «оптическому входу», но и по «электрическому выходу». Решение этой проблемы особенно актуально для адресно-аналоговых типов датчиков, когда необходимо учитывать особенности построения адресной системы вкупе с особенностями адресной системы приемно-контрольного прибора и соответствующей им инфраструктуры.

Для этого необходимо было разработать такое адресно-аналоговое противопожарное устройство, которое обладало бы всеми перечисленными выше качествами датчика пламени, полностью отвечало всем требованиям НПБ 76-98 и могло бы быть адаптировано к любой адресно-аналоговой аппаратуре потребителя. Основные требования к такому устройству сводятся к следующим:

  1. Устройство периодически должно выдавать на приемно-контрольный прибор информацию о результатах внутреннего самотестирования на предмет исправности электронных трактов и чистоты входного окна. Кроме, того, разумеется, оно должно выдавать сигнал о предпожарной тревоге и сигнал о пожаре. Причем предпожарным признаком может быть любой из выбранных потребителем — например, несанкционированное повышение температуры контролируемого объекта.
  2. Устройство должно удовлетворять требованиям по взрывобезопасности (в том числе и для взрывоопасных зон категории «0»), иметь расширенный интервал рабочих температур (от –60 до +85 °С), а также быть устойчивым к воздействию агрессивной среды (SO2).
  3. В таком устройстве должна быть предусмотрена возможность доукомплектования его адресной платой, самостоятельная установка потребителем которой была бы предусмотрена конструкцией устройства и наличием соответствующих разъемов. Это позволит решить главную проблему, которая имеется всегда, когда необходимо совместить адресный пожарный извещатель с адресным приемно-контрольным прибором с присущей только ему системой адресации и кодирования.
  4. Такое устройство должно предусматривать подключение дополнительных блоков, позволяющих обеспечить принципиально новое качество датчика, например, совмещение его с системой видеонаблюдения или с радиоканалом (для автономных датчиков).

Первый вариант такого устройства был разработан, изготовлен, испытан и освоен в мелкосерийном производстве НИИ «Гириконд». Это инфракрасный оптоэлектронный преобразователь ИПП 332-1/1. Он имеет аналоговый выход с унифицированным выходным сигналом тока 0–20 мА, адаптирован к адресному приемно-контрольному прибору «Ладога-А» и может взаимодействовать с централизованной системой пожарообнаружения и управления пожаротушением.

В «Дежурном режиме» выходной токовый сигнал преобразователя равен 2 мА и индицируется мерцающим свечением зеленого светодиода.

В режиме «Неисправность» (загрязнение входного окна, неисправность приемника излучения или электронного тракта) выходной токовый сигнал преобразователя равен 4 мА и индицируется непрерывным свечением красного светодиода.

В режиме «Предупреждение о пожаре» выходной сигнал преобразователя равен 12 мА. В этом случае обнаруживается ИК-излучение, соответствующее появлению несанкционированных источников тепла, либо не достигшее уровня, при котором уже можно уверенно заявлять о появлении пламени в очаге пожара. Режим индицируется одновременным свечением зеленого и красного светодиодов. При исчезновении ИК-излучения преобразователь возвращается в дежурный режим.

При пожаре преобразователь переходит из режима «Предупреждения о пожаре» в режим «Пожар» с выходным токовым сигналом 20 мА.

По остальным параметрам оптоэлектронный преобразователь ИПП 332-1/1 соответствует техническим условиям на извещатели пламени серии «Набат» (АДПК.425241.001 ТУ).

Адекватность средств контроля реальным очагам пожара

Разработка адекватных средств контроля работоспособности датчиков велась как в части внутренней автоматической проверки фотоприемника, электронных трактов и чистоты входного окна, так и в части внешнего контроля. В последнем случае тестирующее устройство выполнялось в виде тестового инфракрасного фонаря.

Внутренний самоконтроль исправности приемника излучения и электронного тракта осуществляется включением в конструкцию приемника излучения инфракрасного излучателя, позволяющего направлять контрольное излучение в обход системы интерференционных фильтров таким образом, что интегральным излучением в равной степени засвечиваются и проверяются все фоточувствительные элементы и соответствующие им электронные тракты.

При контроле загрязнения входного окна должно иметь место соответствие спектров излучения контрольного излучателя и спектрального распределения чувствительности фоточувствительных элементов. Для этого в качестве контрольного можно использовать фотолюминесцентный излучатель с набором соответствующих интерференционных фильтров.

Как при внутреннем контроле работоспособности, так и при проверке загрязнения входного окна используется принцип построения октрона, аналогичный описанному ранее [4].

Для проверки работоспособности внешними средствами используется специальное осветительное устройство — тестовый фонарь, который может входить в комплект поставки датчика. Его особенность заключается в том, что спектральное распределение излучения тестового фонаря имитирует ИК-спектры излучения различных типов очагов возгорания при одновременном освещении и наведении луча на контролируемый преобразователь. Причем спектры излучения в точности соответствуют спектрам излучения того типа очага пожара, для которого предназначен данный преобразователь пламени, а наведение на объект осуществляется по «видимому» лучу. Вес устройства не превышает 350 г, потребляемая мощность — 1,7 Вт. В качестве оптических элементов, формирующих спектры излучения устройства, используются интерференционные фильтры, изготовление которых является частью технологического процесса изготовления устройства в целом.

Адаптация к различным условиям эксплуатации

Еще один тип адаптации, который необходимо обеспечить для датчика пламени, — это адаптация к различным условиям эксплуатации. Эта проблема решается использованием соответствующих конструктивных решений.

Ниже приводятся основные типы извещателей серии «Набат», их конструктивные особенности и соответствующие области применения.

Извещатели ИП332-1/1 — «Набат 1» (обыкновенное исполнение)

Пластмассовый корпус. Степень защиты оболочкой IP41, IP65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур: –60...+55 °С. Габаритные размеры не более 90×90×105 мм. Масса не более 260 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.

Назначение:

  • защита общественных зданий, музеев, театров, церквей, складов, ангаров, спортивных сооружений, производственных и подсобных помещений промышленных предприятий, машинных залов с мощными энергетическими установками и оборудованием, других помещений с высотой потолка, превышающей 7 м;
  • защита объектов, расположенных на открытых уличных площадках;
  • защита объектов, для защиты которых по каким-либо причинам невозможно применение дымовых и тепловых извещателей, например, помещений с повышенной запыленностью и производственной задымленностью;
  • обнаружение тлеющих очагов пожара;
  • обнаружение опасного перегрева фрагментов электрического оборудования, расположенного под защитными кожухами, или нарушения целостности тепловой защиты высокотемпературных печей.

Извещатели ИП332-1/1 — «Набат 1» (взрывозащищенное исполнение) с блоком искрозащиты на стабилитронах (БИС)

Корпус пластмассовый, металлизированный. Степень защиты оболочкой IP65 (с защитным кварцевым диском), IP67 (с защитным кварцевым диском и заполнением внутреннего пространства электронного блока резиноподобным компаундом). Маркировка взрывозащиты датчика Exib11СТ6, маркировка взрывозащиты БИС [Exib]11С. Диапазон рабочих температур: –60...+55 °С. Габаритные размеры не более 90×90×110 мм. Масса не более 360 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.

Извещатели ИП332-1/1М — «Набат 1М» (взрывозащищенное исполнение) с блоком искрозащиты на стабилитронах (БИС)

Корпус алюминиевый (латунный), повышенная устойчивость к механическим нагрузкам. Маркировка искрозащиты датчика Exib11СТ6, маркировка взрывозащиты БИС [Exib]11С. Диапазон рабочих температур: –60...+55 °С. Габаритные размеры не более 90×90×110 мм. Масса не более 350 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.

Предназначены для защиты:

  • нефтеперерабатывающих предприятий, нефтяных скважин, шельфовых нефтедобывающих платформ, нефтепроводов и установок для разжижения нефти при ее транспортировке по нефтепроводам, нефтехранилищ;
  • газопроводов, газохранилищ, газораспределительных и газокомпрессорных станций;
  • морских терминалов для загрузки танкеров;
  • взрывоопасных химических производств и производств взрывчатых веществ;
  • шахт и предприятий угольной промышленности;
  • открытых площадок для хранения пожароопасных и взрывоопасных веществ, складов ГСМ, гаражей и автозаправочных станций;
  • резервуарных парков сжиженных газов.

Извещатели ИП332-1/2 «СК» — «Набат 2»

Пластмассовый корпус. Степень защиты оболочкой IP41, IP65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур: –60...+55 °С. Габаритные размеры не более 90×90×105 мм. Масса не более 260 г. Сигнал срабатывания формируется контактным способом с помощью реле (сухой контакт).

Назначение:

  • защита офисов, индивидуальных гаражей, загородных коттеджей, дачных строений, отдельных изолированных помещений, где целесообразно применение извещателей для индивидуальной защиты единичных объектов с использованием четырехпроводного шлейфа, независимых источников питания и средств оповещения;
  • использование в системах защиты газовых отопительных и нагревательных установок от последствий самопроизвольного погасания газового факела (газовые горелки в котельных и доменных печах, в газовых турбинах и металлургии, газовые факелы при сгорании попутных газов).

Извещатели ИП332-1/3 — «Набат 3»

Пластмассовый корпус. Степень защиты оболочкой IP41, IP65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур: –60...+55 °С. Габаритные размеры не более Ø100×41 мм. Масса не более 250 г. Контактный разъем для установки в розетку типа РИД-6М. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.

Предназначены для защиты:

  • транспортных средств, включая железнодорожные вагоны, вагоны пригородных электропоездов и в метро;
  • промышленных и гражданских объектов в качестве извещателя, работающего в единой инфраструктуре с извещателями дыма и с тепловыми извещателями для повышения вероятности своевременного обнаружения возникающих очагов пожара в защищаемом помещении.

Извещатели ИП332-1/4 — «Набат 4». Адресно-аналоговые

Извещатель «Набат 4» предназначен для использования в усложненных эксплуатационных условиях. Корпус металлический, алюминиевый (латунный). Степень защиты оболочкой IP67. Взрывозащищенное исполнение с маркировкой 1ЕхibIIСТ6 с видом взрывозащиты «искробезопасная цепь». Маркировка взрывозащиты БИС [Exib]11С. Имеет систему внутреннего и внешнего контроля работоспособности с самотестированием. Извещатель имеет аналоговый выход с унифицированным выходным сигналом тока 0–20 мА и может взаимодействовать с централизованной системой пожарообнаружения и управления пожаротушением. Выходные характеристики аналогичны выходным характеристикам оптоэлектронного преобразователя ИПП332-1/1.

По заявке заказчика в дополнение к требованиям НПБ -76-98 у «Набата 4» могут быть реализованы следующие параметры и характеристики:

  • Диапазон рабочих температур: от –60 до +85 °С.
  • Устойчивость к солнечной засветке с освещенностью до 100 000 лк.
  • Отсутствие ложных срабатываний при засветке от ламп накаливания до 5000 лк.
  • Устойчивость к ИК-излучению от нагретых объектов с температурой до 400 °С.
  • Устойчивость к синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1–500 Гц с ускорением 10 g, к механическому удару одиночного воздействия с пиковым ударным ускорением 500 g, механическим ударам многократного действия с пиковым ударным ускорением 150 g.
  • Быстродействие 1 мс.
  • Сферический угол обзора не менее 100°, с оптической приставкой — 5°.

При выборе датчика разработчиками проектов противопожарных систем предлагается следующая последовательность действий:

  1. Прогнозирование заказчиком наиболее вероятных типов очага пожара, оптических помех или взрыва.
  2. Выявление особенностей размещения защищаемых объектов на контролируемой площади.
  3. Ознакомление с эксплуатационными документами для извещателей и установление возможности использования перечисленных в них вариантов исполнения.
  4. Выявление возможных дополнительных требований к датчику, учитывающих специфику защищаемого объекта и не отраженных в основном тексте эксплуатационных документов.
  5. По выполнении перечисленных выше пунктов выдается заявка на изготовление извещателей (при необходимости с перечислением дополнительных требований).
  6. Изготовитель датчика выбирает оптимальную комбинацию фоточувствительных элементов в приемнике излучения и обеспечивает адекватность характеристик датчика возможным пожарным угрозам

Такая схема обеспечивает наиболее качественное выполнение проектов по обеспечению пожаро-взрывобезопасности конкретных охраняемых объектов.

Все перечисленные выше датчики соответствуют требованиям НПБ 76-98 (Извещатели пожарные. Общие технические требования), требованиям международного европейского стандарта EN54-10:2005 и имеют патентную защиту [5]. Годовой объем производства датчиков серии «Набат» превышает 10 000 штук.

Литература

  1. Горбунов Н. И., Дийков Л. К. Фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и оптрон на их основе. Патент РФ № 2261502, с приоритетом от 05.02.2004.
  2. Фотоэлементы. Технические условия АДПК.423231.001 ТУ.
  3. Медведев Ф. К., Варфоломеев С. П. и др. Электронно-оптические извещатели пламени. ИК-приемники нового поколения // Электроника НТБ. 2000. №6.
  4. Дийков Л. К., Медведев Ф. К. и др. Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры // Компоненты и технологии. 2004. № 6.
  5. Горбунов Н. И., Дийков Л. К. и др. Патенты РФ: № 53744 с приоритетом от 18.06.2002, № 48090 с приоритетом от 27.05.2005.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке