Быстродействующие инфракрасные детекторы обнаружения очагов открытого пламени и тления

Преподаватель Уральского института ГПСМЧС РФ

А. В. Шнайдер

Профессор, д-р хим. наук, профессор Уральского института ГПС МЧС РФ

В. Ф. Марков

Канд. социол. наук, начальник Уральского института ГПС МЧС РФ

М. П. Миронов

Аспирант Уральского государственного технического университета

А. В. Гусельников

Профессор, д-р хим. наук, профессор Уральского института ГПС МЧС РФ

Л. Н. Маскаева

УДК 614.841

БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЕ ИНФРАКРАСНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ОЧАГОВ ОТКРЫТОГО ПЛАМЕНИ И ТЛЕНИЯ

Применяемые в настоящее время чувствительные элементы пожарных извещателей не всегда обладают требуемыми пороговыми характеристиками. В первую очередь это касается обнаружения горения наиболее опасных в пожарном отношении веществ, ответственных узлов и агрегатов. Авторами разработан чувствительный элемент фоторезистивного типа на основе легированной тонкой пленки сульфида свинца, обладающий повышенным быстродействием, высокой обнаружительной способностью и стабильностью характеристик. Предлагаемый ИК-детектор с постоянной времени 3-5 мкс, реагирующий на тепловое излучение источников пламенного горения и тления, перспективен для раннего обнаружения возгораний на предприятиях нефтепереработки, энергетики, железнодорожном и авиационном транспорте.

Основными параметрами пожарных извещателей, определяющими эффективность их работы, являются чувствительность, быстродействие, надежность. Повышение значения этих характеристик — основная цель, достижение которой обеспечит обнаружение пожара на ранней стадии его развития.

Наибольшее распространение в автоматических системах пожарной сигнализации получили дымовые и тепловые пожарные извещатели. Это объясняется как спецификой начальной фазы процесса горения большинства пожароопасных веществ, так и относительной простотой используемых схемных и конструктивных решений.

Основным недостатком тепловых пожарных из-вещателей, использующих в качестве чувствительного элемента плавкие или сгораемые вставки, является одноразовость их применения, что приводит

к дополнительным затратам на их замену. Достаточно низкая температура срабатывания тепловых пожарных извещателей увеличивает количество ложных тревог в зданиях с повышенными температурами, а высокая инерционность ведет к значительным материальным потерям. При этом их срабатывание происходит, как правило, от пламени достаточно больших размеров.

Дымовые пожарные извещатели позволяют определить возгорание до возникновения открытого огня. По принципу действия они делятся на ионизационные (радиоизотопные и электроиндук-ционные) и оптико-электронные. К недостаткам ра-диоизотопных извещателей следует отнести то, что они обеспечивают надежную работу при влажности окружающей среды не более 95%, а также при ограниченных скоростях воздушных потоков — до 10 м/с. Превышение любого из указанных показа-

телей увеличивает вероятность ложных срабатываний датчиков и резко снижает их чувствительность. Стоит отметить, что дымовые радиоизотопные пожарные извещатели обладают слабой чувствительностью к белым и серым дымам, которые возникают, например, при тлении древесины и хлопка. Недостатком данных извещателей является также наличие в их конструкции источников радиоактивного излучения. Это требует применения специальных защитных мер при их монтаже, ремонте, хранении, утилизации, что вызывает у потребителя определенные опасения и ограничивает их широкое использование.

При пожарах в зданиях с высокими потолками и на открытых площадках применение дымовых и тепловых пожарных извещателей неэффективно из-за слишком быстрого рассеивания дыма и медленного накапливания теплоты.

В последнее время в системах пожарной автоматики широкое распространение получили фотоэлектрические датчики. Принцип их действия основан на использовании фотоэлектрического эффекта, т.е. изменения электрической проводимости чувствительного элемента под действием оптического потока от пламени или нагретых продуктов горения. В качестве фотоэлектрических датчиков используются фоторезисторы, вакуумные фотоэлементы, фотодиоды, фототриоды и фототиристоры. В них применяют такие полупроводниковые материалы, как селен, сульфид и селенид свинца, германий, кремний [1].

Для обнаружения пламени часто используют извещатели на основе детекторов УФ-излучения. В первую очередь для этой цели применяют кремниевые фотодиоды. Старение оптической пары (источника излучения и фотоприемника) негативно влияет на чувствительность и быстродействие такого пожарного извещателя. Извещатели этого типа чувствительны к большинству типов пламени, включая пламя углеводородов (жидких, газообразных и твердых), металлов (магний), серы, водорода, гидразина и аммиака. К их серьезным недостаткам следует отнести невозможность регистрации низкотемпературных очагов, а также повышенную чувствительность к ионизирующим излучениям [2]. Первый из указанных недостатков детекторов УФ-излучения фактически исключает их использование для обнаружения очагов тления и начальной фазы пожара. Присутствие газов и паров, поглощающих УФ-излучение, снижает чувствительность таких датчиков. Аналогичным образом влияет наличие масляной дымки в воздухе или масляной пленки на окошке детектора. Зона контроля УФ-де-текторов открытого пламени определяется углом обзора чувствительного элемента и дальностью очага возгорания.

Фотодиоды и фототранзисторы на основе кремния обеспечивают чувствительность до длин волн ИК-излучения 1,2 мкм, что соответствует предельным температурам пламени. Использование их для более длинноволновой области спектра, характеризующей излучение тел с температурой менее 2000°C, сопровождается резким снижением обна-ружительной способности. Для решения этой задачи, являющейся основной в детектировании большинства очагов возгорания и тления оптическим методом, используют фоторезисторы на основе сульфида и селенида свинца [3]. Первые из них, обладающие чувствительностью в видимом и инфракрасном диапазонах спектра 0,4-3,0 мкм, позволяют измерять температуру в интервале 100-2000°C. Вторые имеют еще более длинноволновый диапазон чувствительности (1,0—4,7 мкм) и даже в неохлаж-даемом варианте обладают сравнительно высокой обнаружительной способностью при детектировании нагретых тел с температурой 300-400°C. Однако технология изготовления фоторезисторов PbSe по сравнению с PbS более сложна и затратна. В результате их коммерческая цена в несколько раз превышает стоимость приборов на основе сульфида свинца, что сдерживает их использование. Еще больше повышает стоимость извещателей на основе PbSe необходимость применения в конструкции фотоприемников термоэлектрических охладителей, улучшающих его характеристики.

В свою очередь, предлагаемые рядом фирм фоторезисторы PbS удовлетворяют решению большинства практических задач, отличаются простотой конструкции, малыми габаритами и фактически неограниченным сроком службы. К их недостаткам следует отнести некоторую зависимость параметров от температуры, нелинейность световой характеристики и относительно высокую инерционность, не позволяющую быстро детектировать возгорание, например авиационных двигателей или особо пожароопасных веществ.

Большинство коммерческих образцов фоторезисторов PbS обладают постоянной времени около 400 мкс. В ряде случаев это значение удается снизить. Так, неохлаждаемый фоторезистор ФР-193 (Россия) на основе пленки сульфида свинца, работающий в диапазоне 0,8—3,3 мкм, позволяет достичь значений обнаружительной способности D* « 2-109см-Вт-1-Гц1^2 при Àmax = 2,5 мкм и постоянной времени 300 мкс [3].

Фирмой “Optoelectronics” (США) разработаны фотоприемники на основе неохлаждаемых пленок PbS с быстродействием (постоянной времени) 100 мкс. Такое же быстродействие имеют фоторезисторы, изготовленные НПО “Орион” (Россия) при обнаружи-тельнойспособности D*max « 4-1010см-Вт-1Тц1/2 [3].

MAPOB3PblBOÁE3OnACHOCTb 2008 TOM 1/ №2

/5

Авторами статьи были разработаны фоторезисторы на основе РЪБ, обладающие постоянной времени менее 100 мкс. Поставленная задача была решена изменением технологических условий получения пленок сульфида свинца. Для их осаждения использовался традиционный гидрохимический метод синтеза из реакционной смеси, содержащей хлорид- или бромид-ионы [4]. Введение этих компонентов в определенных концентрациях оказывает сильное влияние на фотоэлектрические свойства осаждаемых слоев РЪБ, приближая их к квазисобст-венному типу проводимости. При этом в сравнении с другими фоторезисторами (причем, лучшими из них) особенно сильно уменьшается постоянная времени пленок: в 2-3 раза в случае легирования хлорид-ионами и в 20-30 раз — бромид-ионами. Полученные результаты не имеют аналогов для данного полупроводникового материала. Особый интерес и перспективу представляют бромсодержащие слои сульфида свинца. Они характеризуются следующими спектральными и фотоэлектрическими характеристиками при 298 К:

• темновое сопротивление — 80-120 кОм на квадрат;

• диапазон спектральной чувствительности —

0,4-3,0 мкм;

• положение максимума спектральной чувствительности — 2,5-2,6 мкм;

• обнаружительная способность в ^тах для чувствительного элемента размерами 0,48x0,48 мм — 11010 см-Вт-1Тц1/2;

• постоянная времени — 3-5 мкс.

Пленки отличаются высокой стабильностью фотоэлектрических параметров во времени и в условиях термоциклов (+60°С). Полученные слои пригодны для использования в жестких условиях эксплуатации благодаря высокому быстродействию и обнаружительной способности. Они перспективны без глубокого охлаждения для применения в качестве фотодетекторов в активных узлах

пожарной сигнализации для обнаружения как очагов открытого пламени, так и начальной фазы возгорания в условиях ограниченной видимости с температурой источников 100-2500оС. Установка входного окна из кремния позволяет исключить ослепление прибора солнечным и другим фоновым излучением и устранить большинство ложных срабатываний. Радиус действия ИК-датчика в зависимости от используемой оптической схемы составляет 7-10 м. Разработанный ИК-датчик может работать как автономно, так и в составе автоматической системы пожарной сигнализации. Кроме того, на ИК-извещателе предусмотрена установка световой или звуковой сигнализации. Наиболее эффективными объектами применения данного ИК-де-тектора, учитывая его высокое быстродействие, являются склады легковоспламеняющихся жидкостей, насосные по перекачке горючих жидкостей, высокоэнергетическое оборудование, авиационная техника и железнодорожный транспорт (двигатели, пассажирские салоны и купе).

Выводы

1. В результате проведенного анализа установлено, что наиболее перспективными в обнаружении очагов возгорания на ранней стадии их развития являются пожарные извещатели, содержащие в качестве активных элементов ИК-датчики, в первую очередь изготовленные на основе сульфида свинца.

2. Полученные в работе легированные бромом пленки РЪБ отличаются постоянной времени 3-5 мкс, стабильностью фотоэлектрических параметров, относительно высокой обнаружительной способностью и перспективны для применения в качестве фотодетекторов в активных узлах пожарной сигнализации для обнаружения как очагов открытого пламени, так и начальной фазы возгорания.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта № 06-03-08103 офи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Анисимова, И. Д. Полупроводниковые фотоприемники. Ультрафиолетовый, видимый и инфракрасный диапазоны спектра/И. Д. Анисимова, И. М. Викулин, Ф. А. Заитов [и др.]. — М.:

Радио и связь, 1984. — 216 с.

2. Пивинская, И. Пожарные извещатели: задачи и оценка выбора / И. Пивинская // Журнал “БДИ”. — 2005. — Т. 61, № 4.

3. Буткевич, В. Г. Фотоприемники на основе халькогенидов свинца: состояние работ в ГУП “НПО “Орион” и перспективы развития / В. Г. Буткевич, E. Р. Глобус, Г. А. Казанцев [и др.] // Прикладная физика. — 1999. — №2. — С. 87.

4. Миронов, М. П. Кинетика осаждения PbS в присутствии галогенидов аммония. Морфология и структура пленок / М. П. Миронов, А. В. Шнайдер, В. Ф. Марков [и др.] // IV Международная научная конференция “Кинетика и механизм кристаллизации. Нанокристаллизация. Биокристаллизация”, 19-22 сентября 2006 г. — Иваново: ИХР РАН, 2006. — С. 219.

Поступила в редакцию 25.03.08.