ИЗВЕЩАТЕЛЬ ПЛАМЕНИ СКАНИРУЮЩИЙ С ФУНКЦИЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОЙ КООРДИНАТЫ ОЧАГА ПОЖАРА
SCANNING FLAME DETECTOR WITH A FUNCTION OF DETERMINING THE ANGULAR COORDINATE OF THE FIRE SOURCE

Извещатель относится к системам пожарной сигнализации, в частности к пожарным извещателям пламени, и предназначен для обнаружения очагов возгораний по ультрафиолетовому (УФ) и/или инфракрасному (ИК) излучению пламени и определения их угловых координат по площади защищаемого помещения с целью повышения эффективности и обеспечения адресности автоматических систем пожаротушения.
Существующие традиционные автоматические системы обнаружения на основе точечных тепловых, дымовых или газовых пожарных извещателей не позволяют с заданной точностью и инерционностью определять местоположение очага пожара в помещениях:
- для реализации координатного обнаружения пожара внутри помещения такие системы должны строиться по адресному принципу, где разрешающая способность зависит от количества извещателей (для обеспечения высокой точности необходимо большое количество извещателей, что усложняет и удорожает систему);
- топологическая сложность масштабирования систем координатного обнаружения пожара на основе точечных извещателей.
Одним из типов извещателей, обладающих высокой эффективностью (быстродействием) обнаружения пожара на начальной фазе пламенного горения по сравнению с другими средствами обнаружения, являются извещатели пламени.
Современные традиционные извещатели пламени имеют довольно высокую чувствительность и соответственно большую дальность действия и значительную защищаемую площадь (патенты RU 2300807, RU 114547, RU 114386, RU 2296370). Однако такие извещатели не обладают возможностью идентификации местоположения и определения количества очагов пламени.
Для определения угловых координат положения очагов возгорания применяются извещатели пламени с матричной структурой чувствительного элемента. Известен извещатель пламени FlameVision «TYCO» (патенты US 6528788, US 6476859, US 6818893) с чувствительным элементом, состоящим из массива одноэлементных узконаправленных ИК датчиков (пикселей), образующих прямоугольную зону обнаружения в виде решетки 16×16 ячеек с диаграммой направленности 90° в горизонтальной плоскости и 80° - в вертикальной.
Однако точность координатного обнаружения в таких устройствах зависит от разрешения чувствительного элемента (числа пикселей на единицу площади).
Другим способом определения координат очага пожара в помещении является использование сканирующего метода, заключающегося в анализе пространства контролируемого помещения путем поэлементного просмотра и оценки интенсивности излучения очага пламени при перемещении мгновенного поля зрения (диаграммы направленности) по полю обзора извещателя.
Широко используемые для защиты объектов общественного и производственного назначения роботизированные установки пожаротушения (РУП «Страж» патент RU 63692; «ЭФЭР» патенты RU 2677622, RU 2424837; RU 191628) на базе программно управляемых пожарных стволов (оросителей) используют принцип адресного обнаружения очага пожара на основе оптических ИК датчиков пламени с узким углом обзора (от 3 до 12 град).
В таких установках сканирование защищаемой зоны (определение углового направления расположения очага относительно пожарного робота) производится за счет автоматического перемещения пожарного ствола, на котором установлен датчик пламени (при этом оптическая ось совпадает с направлением подачи огнетушащего вещества), по заданной траектории.
Такой подход требует использования дополнительных средств пожарной сигнализации, контролирующих всю защищаемую зону и выдающих сигнал «Тревога» при возникновении пожара, поскольку ИК датчик имеет узкий угол обзора и используется только для автоматического наведения пожарного ствола на очаг возгорания по заданным координатам.
Кроме того, использование ИК приемника подвержено воздействию внешних источников оптических помех (например, солнечное излучение, нагретые тела) и для уменьшения числа ложных срабатываний требуется применение дополнительных каналов обнаружения (ИК, УФ или Видео) и более сложных алгоритмов обработки сигналов, что существенно усложняет и удорожает конструкцию.
Целью изобретения является создание для системы координатного обнаружения пожара устройства для обнаружения одного и более очагов пожара, определения угловых координат очагов, обеспечение помехоустойчивости к оптическим помехам, разработка функциональной системы и способа для осуществления устройства.
Техническим результатом решения поставленной цели является обнаружение очага(ов) пожара, быстрое и помехозащищенное определение сектора(ов) защищаемого помещения, в котором зафиксирован(ы) очаг(и) возгорания.
Поставленная цель достигается созданием извещателя пламени сканирующего с функцией определения угловой координаты очага пожара, характеризующейся выполнением цилиндрического корпуса с верхним прямоугольным основанием, посредством которого корпус соединен с наклонно-поворотным кронштейном, в передней части корпуса выполнен вырез, в вырезе установлено прозрачное окно в виде боковой поверхности цилиндра радиусом, равным радиусу цилиндрического корпуса, и длиной дуги, ограниченной максимальным углом обзора извещателя, внутри корпуса вблизи его центральной части установлен фотоприемник излучения, за прозрачным окном установлено поворотное устройство сканирования, представляющее собой вращающийся цилиндрический щелевой обтюратор с возможностью формирования засветки чувствительного элемента фотоприемника сектором с углом раскрытия в горизонтальной плоскости значительно меньшим, чем максимальный угол обзора чувствительного элемента извещателя, в обтюраторе с противоположной стороны от щелевого зазора выполнен широкий секторный вырез, выполненный по форме окна, угол раскрытия секторного выреза выбран равным максимальному углу обзора чувствительного элемента и соответствует наиболее полному освещению фотоприемника, внутри корпуса в поперечном сечении установлена печатная плата микропроцессорного блока с электронными элементами и с установленным соосно центральной оси корпуса электрическим приводом обтюратора. Прозрачное окно может быть выполнено из кварцевого стекла или лейкосапфира с возможностью прохождения ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Корпус может иметь дополнительное окно для индикаторного светодиода, расположенного на передней части.
Корпус может иметь звуковой оповещатель.
Фотоприемник может быть выполнен в виде одного или нескольких оптических датчиков, регистрирующих электромагнитное излучение пламени в ультрафиолетовом и/или инфракрасном спектральных поддиапазонах, характерных полосам излучения различных горючих веществ и материалов.
Область максимальной спектральной чувствительности элементов фотоприемника выполнена: для инфракрасных поддиапазонов: 1,4…1,5 мкм, 4,3…4,5 мкм; для ультрафиолетового поддиапазона: 0,18…0,26 мкм.
Функциональная система извещателя пламени сканирующего с функцией определения угловой координаты очага пламени характеризуется включением в себя чувствительного элемента и подключенного к нему формирователя напряжения высокого уровня, который соединен с микропроцессорным блоком, который соединен и управляет работой электропривода обтюратора, работой блока световой индикации и звукового оповещения, коммутационным блоком для активации внешних устройств, цифровым интерфейсом для включения в состав интеллектуальных систем, дополнительно к микропроцессорному блоку подключен блок контроля положения обтюратора, выполнена связь чувствительного элемента с микропроцессорным блоком посредством усилителя-формирователя.
Способ осуществления извещателя пламени сканирующего с функцией определения угловой координаты очага пожара содержит этапы, в которых:
- выбирают точку размещения извещателя с учетом угла обзора и направления оптической оси извещателя;
- делят всю контролируемую зону обнаружения на N независимых секторов с учетом требуемой точности координации (зонной селективности обнаружения), при этом выполняют требование соответствия максимального угла обзора ϕ, разделенного на N равных независимых секторов с меньшим углом обзора β, по формуле ϕ=β⋅N;
- контролируют защищаемое пространство непрерывно в «Дежурном режиме» при отсутствии очага пожара с максимальным углом обзора ϕ фотоприемника в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- формируют сигнал «Пожар» во внешнюю цепь при возникновении пламени в зоне обнаружения извещателя и переводят извещатель в режим «Сканирование» для поиска углового направления очага пожара;
- вращают щелевой обтюратор, осуществляют оценку интенсивности излучения для каждого из N секторов обнаружения, определяют сектор с максимальным значением интенсивности поступающего излучения;
- фиксируют в памяти микропроцессорного блока управления извещателя информацию о наличии каждого возгорания и угловом направлении обнаруженного сектора, в котором находится очаг пожара;
- обеспечивают программное маскирование (блокирование) одного или нескольких секторов обнаружения для исключения ложных срабатываний от постоянного или вероятного присутствия естественных источников открытого излучения, не являющихся пожаром;
- используют в фотоприемнике излучения несколько оптических датчиков, регистрирующих электромагнитные излучения пламени в ультрафиолетовом и/или инфракрасном спектральных поддиапазонах;
- выполняют самотестирование работоспособного состояния, при котором проверяют все внутренние электронные и оптические цепи извещателя в условиях кратковременного полного перекрывания всей области обзора;
- дополнительно обеспечивают высокую точность определения местоположения очага пожара и высокую помехозащищенность за счет реализации многоспектрального принципа обнаружения.
Более подробно изобретение поясняется при помощи рисунков, показанных на фиг. 1 - фиг. 5.
Фиг. 1. Общий вид извещателя в режиме «Сканирование» спереди в ракурсе .
Фиг. 2. Общий вид извещателя в режиме «Дежурный режим» спереди в ракурсе .
Фиг. 3. Общий вид извещателя в режиме «Сканирование» снизу в ракурсе .
Фиг. 4. Функциональная схема извещателя.
Фиг. 5. План размещения извещателя в защищаемом помещении с указанием границ обзора по секторам и местоположения очага пожара.
Извещатель пламени сканирующего типа содержит установленное на наклонно-поворотном кронштейне 1 с возможностью ориентации в любом требуемом направлении прямоугольное основание 2 и закрепленный на нем цилиндрический корпус 3. На лицевой части корпуса установлено оптически прозрачное окно 4 в виде боковой поверхности цилиндра радиусом, равным радиусу цилиндрического корпуса, и длиной дуги, ограниченной максимальным углом обзора извещателя в горизонтальной плоскости. Окно 4 изготовлено из кварцевого стекла или лейкосапфира и обеспечивает возможность прохождения УФ и ИК излучений к чувствительному элементу извещателя. Корпус дополнительно снабжен окном для индикаторного светодиода 5, расположенным на лицевой части извещателя. Внутри корпуса вблизи его центральной оси установлен приемник излучения 6.
В корпусе за прозрачным окном установлено поворотное устройство сканирования, представляющее собой вращающийся цилиндрический щелевой обтюратор 7 для перекрывания потока излучения, падающего на фотоприемник. В боковой поверхности и нижнем основании обтюратора выполнен щелевой зазор 8, обеспечивающий формирование засветки чувствительного элемента сектором с углом раскрытия в горизонтальной плоскости значительно меньшим, чем максимальный угол обзора чувствительного элемента извещателя. При этом в обтюраторе с противоположной стороны от щелевого зазора 8 имеется секторный вырез 9, выполненный по форме окна. Угол раскрытия секторного выреза выбирается равным максимальному углу обзора чувствительного элемента извещателя и соответствует открытому состоянию извещателя, при котором излучение пламени беспрепятственно попадает на приемник. Внутри корпуса в поперечном сечении установлена печатная плата 10 с электронными элементами микропроцессорного блока. Обтюратор крепится на оси и приводится в движение с помощью электрического привода 11, установленного на печатной плате соосно центральной оси корпуса.
Фотоприемник выполнен в виде одного или нескольких оптических датчиков, регистрирующих электромагнитное излучение пламени в УФ и/или ИК спектральных поддиапазонах, характерных полосам излучения различных горючих веществ и материалов.
Одновременное использование нескольких датчиков с различным диапазоном спектральной чувствительности (многоспектральный принцип обнаружения в УФ и ИК спектре) позволит существенно повысить надежность и достоверность обнаружения пламени, а также повысить уровень помехозащищенности от воздействия внешних фоновых помех (солнечное излучение, искусственные источники освещения, нагретые объекты, разряды молнии и др.).
Функционально извещатель состоит из: чувствительного элемента 12 (УФ, ИК сенсора), формирователя напряжения высокого уровня 13, блока контроля положения обтюратора 14, усилителя-формирователя импульсов 15, микропроцессорного блока 16, электропривода обтюратора 17, блока визуальной и звуковой индикации 18, коммутационного блока для активации подключаемых внешних устройств 19, цифрового интерфейса для включения в состав интеллектуальных систем 20.
Принцип работы извещателя сканирующего с функцией определения угловой координаты очага пожара пояснен планом, на котором показаны: место установки 21 извещателя, границы защищаемого помещения 22, местоположение очага пожара 23, границы секторов 24, сектор 25, в котором расположен очаг.
При включении микропроцессорный блок 16 инициирует переход извещателя в «Дежурный» режим путем воздействия на электропривод обтюратора 17 и контроля достижения исходного положения, соответствующего «Дежурному» режиму, с помощью блока контроля положения обтюратора 14. Микропроцессорный блок 16 по средствам управления формирователем напряжения высокого уровня 13 осуществляет подачу электрического питания на оптический сенсор 12 с требуемым напряжением.
При наличии в поле зрения сенсора источника открытого пламени, импульсы с частотой, коррелирующей с интенсивностью падающего на сенсор излучения, поступают на усилитель-формирователь импульсов 15, где преобразуются и поступают на вход микропроцессорного блока.
Микропроцессорный блок осуществляет обработку поступившего сигнала по заданному алгоритму. Если условия, заложенные в алгоритме, по надежному обнаружению очага пламени выполнены, микропроцессорный блок активирует режим «Сканирование», подавая сигнал на электропривод обтюратора и коммутационный блок 19, сигнализирующий о наличии очага пожара, и анализируя полезный сигнал с оптического сенсора.
В алгоритме работы извещателя вся область обзора оптического сенсора делится на некоторое фиксированное количество радиальных секторов, при этом импульсы, формирующиеся сенсором и соответствующие наличию очага пламени в зоне обнаружения, фиксируются для каждого сектора отдельно.
Обработка полученной информации об интенсивности излучения пламени по каждому сектору обнаружения в микропроцессорном блоке позволяет выделить одну или несколько областей в угловом представлении относительно оптической оси извещателя, в которых находится вероятный очаг возгорания.
Эти данные, как и информация о текущем режиме, сохраняются во внутренней памяти извещателя (микропроцессорном блоке) и могут быть считаны интеллектуальными внешними системами с помощью цифрового интерфейса 20. Информация о режимах работы извещателя выдается однозначным образом с помощью блока световой и звуковой индикации 18.
Алгоритм работы извещателя заключается в определении углового направления положения очага пламени в горизонтальной плоскости помещения методом разбиения всей контролируемой зоны обнаружения с максимальным углом обзора ϕ на N равных независимых секторов с меньшим углом обзора β (фиг. 5) так, что ϕ=β⋅N.
Количество секторов N выбирается с учетом требуемой точности координации (зонной селективности обнаружения).
В «Дежурном режиме» при отсутствии очага пламени извещатель находится в открытом состоянии и непрерывно контролирует зону обнаружения с максимальным углом обзора (р в горизонтальной и вертикальной плоскостях.
При возникновении очага пламени в зоне обнаружения извещателя формируется сигнал «Пожар», после чего извещатель переходит в режим «Сканирование» защищаемой зоны для поиска углового направления положения очага возгорания.
В режиме «Сканирование» извещатель последовательно осуществляет оценку интенсивности излучения от очага пламени для каждого из N секторов обнаружения и определяет сектор с величиной интенсивности поступающего излучения, превышающей фиксированное пороговое значение.
Информация о наличии возгорания и радиальном направлении обнаруженного сектора, в котором находится очаг пламени, сохраняется в памяти извещателя и может быть считана по проводному или беспроводному интерфейсу внешним устройством (например, устройством координатного пожаротушения).
Такой подход к построению извещателя на основе секторальной селективности позволяет обнаруживать и определять угловые координаты сразу нескольких очагов пожара, находящихся в различных секторах. Кроме того, имеется возможность программного маскирования (блокирования) одного или нескольких секторов обнаружения для исключения ложных срабатываний от постоянного или вероятного присутствия естественных источников открытого пламени, не являющихся пожаром.
Также извещатель имеет дополнительную функцию самоконтроля работоспособного состояния, при которой проверяются все внутренние электронные и оптические цепи извещателя. Принцип самотестирования заключается в том, что в момент срабатывания извещателя и выдачи сигнала «Пожар» (до начала процесса сканирования) происходит кратковременное полное перекрывание всей области обзора извещателя и проверяется отсутствие сигнала с чувствительного элемента с целью исключения ложноположительных срабатываний извещателя из-за выхода из строя чувствительного элемента.
Использование сканирующего метода в извещателе пламени для определения угловой координаты очага пожара в помещении позволяет обеспечить время обнаружения менее 5 с и время поиска углового направления расположения тестовых очагов ТП-5, ТП-6 по ГОСТ Р 53325-2012 не более 30 с на расстоянии не менее 25 м.
Предлагаемый сканирующий извещатель пламени обладает новыми качественными свойствами, отличающими его от существующих аналогов:
- новый принцип построения сканирующих извещателей пламени;
- новый алгоритм детектирования и определения координат очага возгорания в помещении;
- возможность координатного обнаружения сразу нескольких очагов возгораний;
- возможность маскирования (блокирования) отдельных секторов зоны обнаружения для исключения ложных срабатываний от известных источников помех, не являющихся пожаром;
- наличие функции самоконтроля, при которой проверяются все внутренние электронные и оптические цепи извещателей на работоспособность и исключаются ложные срабатывания;
- высокая точность определения местоположения очага пожара;
- высокая помехозащищенность по отношению к оптическим помехам за счет возможности реализации многоспектрального принципа обнаружения в УФ или ИК диапазонах.
Эффективность от внедрения системы координатного обнаружения (сканирующих извещателей) в автоматические установки пожаротушения с направленной подачей огнетушащего вещества позволит повысить эффективность тушения и снизить ущерб:
- от пожара за счет раннего обнаружения и определения координат источника пламени и адресной подачи огнетушащего вещества (ОТВ) в заданную точку (локальную зону);
- от избыточного применения ОТВ за счет быстрого и гарантированного тушения и прекращения подачи ОТВ при отсутствии признаков горения.