СИГНАЛИЗАТОР ВОЗГОРАНИЯ
FIRE ALARM

Изобретение относится к устройствам пожарной сигнализации, приводимым в действие тепловым воздействием пламени, и может быть использовано в системах распределенного контроля протяженных пожароопасных объектов, например, топливных магистралей, кабелей электроснабжения, газопроводов, резервуаров с горючими веществами, а также различных агрегатов.
Известны устройства аварийной пожарной сигнализации (сигнализаторы возгорания), чувствительный элемент которых выполнен в виде протяженной термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом (сплавом), через который осуществляется акустическая связь излучателя и приемника ультразвука, расположенных на противоположных концах чувствительного элемента (1. Патент РФ №2315362 от 22.05.2006, опубл. в Бюл. №2, 2008, МПК G08B 17/06; 2. Патент РФ №2438183 от 27.08.2010, опубл. в Бюл. №36, 2011, МПК G08B 17/00, G08B 17/06, H01H 85/00; 3. Патент РФ №2470373 от 20.09.2011, опубл. в Бюл. №35, 2012, МПК G08B 17/00; 4. Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радиомир, 2009, №3, с.14-16).
В этих устройствах при воздействии пламени на чувствительный элемент температура чувствительного элемента в месте воздействия повышается, при этом материал (сплав), находящийся внутри термостойкой трубки, плавится, в результате чего акустическая связь между излучателем и приемником ультразвука существенно ослабевает, что служит основанием для формирования сигнала оповещения о наличии возгорания. После устранения возгорания и достижения чувствительным элементом температуры, при которой материал, находящийся внутри термостойкой трубки, переходит в твердое состояние, акустическая связь между излучателем и приемником ультразвука восстанавливается - устройство вновь готово к работе.
Недостатком этих аналогов является сложность конструкции чувствительного элемента, так как она должна исключать утечку расплавленного материала (сплава) из термостойкой трубки. Кроме того, в этих аналогах излучатель и приемник ультразвука подключены к двум противоположным концам протяженного чувствительного элемента. Это затрудняет прокладывание чувствительного элемента согласно форме контролируемого объекта, затрудняет подключение и увеличивает протяженность линий электропитания, съема и обработки информации, усложняет процесс налаживания и обслуживания этих устройств, что в совокупности с другими подобными факторами затрудняет размещение указанных аналогов на контролируемом объекте.
Известен сигнализатор возгорания (Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радиомир, 2012, №9, с.13-16), содержащий ультразвуковые передающее и приемное устройства, подключенные к двум противоположным концам чувствительного элемента, представляющего собой протяженный акустический волновод из термостойкой проволоки.
В этом аналоге при возникновении возгорания и воздействии пламени на чувствительный элемент в зоне воздействия образуется участок с повышенной температурой. Следствием этого является изменение скорости распространения ультразвуковых волн в чувствительном элементе и рассеивание их энергии на образовавшейся акустической неоднородности, в результате чего изменяется волновая картина на входе приемного устройства. Амплитудные изменения этой картины анализируются в приемном устройстве, и при достижении ими порогового значения вырабатывается сигнал оповещения о наличии возгорания. После устранения возгорания и снижения температуры чувствительного элемента акустическая связь между передающим и приемным устройствами восстанавливается до первоначального уровня, и сигнализатор вновь готов к работе.
Достоинством этого аналога является простота конструкции чувствительного элемента и высокая надежность сигнализации, достигаемая тем, что возможное неконтролируемое рассогласование рабочих частот передающего и приемного устройств сигнализатора, обусловленное воздействием внешних дестабилизирующих факторов, компенсируется модуляцией рабочей частоты передающего устройства напряжением треугольной формы, в результате чего ее значение периодически попадает в полосу пропускания приемного устройства. Кроме того, высокая надежность сигнализации этого аналога обеспечена возможностью фиксации факта возгорания при наличии интерференции прямых и отраженных от акустической неоднородности, возникающей в месте нагрева чувствительного элемента, ультразвуковых волн.
Недостатком этого аналога является сложность размещения на контролируемом объекте, поскольку передающее и приемное устройства аналога подключены к двум противоположным концам протяженного чувствительного элемента.
Известен сигнализатор перегрева (возгорания) (Ильин О. Сигнализатор перегрева. - Радиомир, 2012, №6, с.21-24), содержащий усилитель мощности, выход которого подключен к входу излучающего пьезопреобразователя, соединенного выходом посредством звуковода, в разрыв которого включен чувствительный элемент, выполненный из материала, акустическое сопротивление которого резко изменяется при достижении определенной температуры, с входом приемного пьезопреобразователя, подключенного выходом к входу предварительного усилителя, выход которого соединен через цепь обратной связи с входом усилителя мощности и подключен через последовательно соединенные фильтр верхних частот, амплитудный детектор, интегратор, узел сравнения к входу узла индикации наличия возгорания.
В этом сигнализаторе усилитель мощности, излучающий пьезопреобразователь, звуковод, чувствительный элемент, приемный пьезопреобразователь, предварительный усилитель и цепь обратной связи образуют ультразвуковой генератор с самовозбуждением, частота колебаний которого скачкообразно изменяется при нагревании чувствительного элемента до определенной температуры, что служит основанием для формирования сигнала оповещения о возникновении перегрева (возгорания). После устранения причины перегрева (возгорания) температура чувствительного элемента понижается, и частота автоколебаний возвращается к первоначальному значению, при этом узел индикации формирует сигнал об отсутствии перегрева (возгорания).
Недостатком этого аналога является сложность размещения на контролируемом объекте, поскольку излучающий и приемный пьезопреобразователи сигнализатора подключены к двум противоположным концам протяженного звуковода.
Известны сигнализаторы возгорания, у которых пьезоакустический преобразователь подключен только к одному концу чувствительного элемента - протяженному ультразвуковому волноводу из термостойкого материала, например, медного или стального провода (1. Патент РФ №2466459 от 07.11.2011, опубл. в Бюл. №31, 2012, МПК G08B 17/00; 2. Ильин О. Ультразвуковой сигнализатор возгорания. - Радио, 2013, №2, с.30-32; 3. Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радиомир, 2013, №6, с.13, 14, №7, с.20-23).
В этих аналогах излучающий пьезоакустический преобразователь возбуждает в чувствительном элементе продольные ультразвуковые колебания, которые распространяются до противоположного конца чувствительного элемента, отражаются и возвращаются обратно к пьезоакустическому преобразователю, в результате чего в чувствительном элементе возникают стоячие акустические волны. Этому режиму соответствует определенное входное акустическое сопротивление волновода, служащего нагрузкой для пьезоакустического преобразователя, а также величина мощности, затрачиваемой пьезоакустическим преобразователем на возбуждение ультразвуковых колебаний. При нагревании участка чувствительного элемента пламенем скорость распространения по волноводу ультразвуковых колебаний изменяется, соответственно меняется акустическое сопротивление волновода и мощность, затрачиваемая пьезоакустическим преобразователем на возбуждение колебаний в чувствительном элементе. В результате нарушается равенство напряжений на входах узла сравнения и при достижении разницы величин этих напряжений некоторого порогового уровня формируется сигнал оповещения о наличии возгорания, который воспроизводится узлом индикации. После устранения возгорания и снижения температуры чувствительного элемента сигнализаторы возвращаются в исходное состояние и вновь готовы к работе.
Достоинством этих аналогов является простота размещения на контролируемом объекте, поскольку подключение соответствующих функциональных устройств, входящих в их состав, производится только к одному концу протяженного чувствительного элемента. Кроме того, указанные аналоги обладают высокой надежностью сигнализации, т.к. позволяют фиксировать факт возгорания при наличии интерференции прямых и отраженных от акустической неоднородности, возникающей в месте нагрева чувствительного элемента, ультразвуковых волн.
Недостаток этих аналогов - сложность конструкции, обусловленная относительно большим числом функциональных устройств, входящих в их состав, а также сложностью связей между ними.
В качестве прототипа выбран сигнализатор возгорания (Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радио, 2009, №4, с.36, 37), содержащий передающее и приемное устройства, подключенные к двум противоположным концам чувствительного элемента, представляющего собой протяженный ультразвуковой волновод из термостойкой проволоки, вход которого соединен с выходом пьезоэлектрического излучателя ультразвука, подключенного входом к выходу генератора импульсов ультразвуковой частоты, приемный пьезоакустический преобразователь, подключенный выходом к входу усилителя, соединенного выходом через последовательно включенные амплитудный детектор, интегратор и узел сравнения (пороговое устройство) с входом узла индикации наличия возгорания.
В прототипе при возникновении возгорания и воздействии пламени на чувствительный элемент в зоне воздействия образуется участок с повышенной температурой. В результате этого изменяется скорость распространения ультразвуковых волн в чувствительном элементе и происходит рассеивание их энергии на образовавшейся акустической неоднородности, в результате чего изменяется волновая картина на входе приемного устройства. Амплитудные изменения этой картины анализируются в приемном устройстве. При достижении ими порогового уровня вырабатывается сигнал оповещения о наличии возгорания. После устранения возгорания и снижения температуры чувствительного элемента акустическая связь между передающим и приемным устройствами восстанавливается до первоначального уровня и сигнализатор вновь готов к работе.
Достоинство прототипа - простота конструкции. Недостатком прототипа является сложность размещения на контролируемом объекте, поскольку его передающее и приемное устройства подключены к двум противоположным концам чувствительного элемента. Кроме того, недостатком прототипа является низкая надежность сигнализации, так как вследствие волнового характера распространения ультразвука и интерференционных явлений в чувствительном элементе при определенном соотношении рабочей частоты передающего устройства и длины чувствительного элемента, а также в зависимости от места воздействия пламени на чувствительный элемент и степени его нагрева может оказаться, что при нагреве чувствительного элемента амплитуда сигнала на входе приемного устройства не уменьшается, а увеличивается. Отрицательным результатом этого является возможное несрабатывание сигнализатора при наличии возгорания.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является упрощение размещения сигнализатора на контролируемом объекте и повышение надежности сигнализации.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в сигнализаторе возгорания, содержащем чувствительный элемент, представляющий собой протяженный термостойкий акустический волновод, вход которого соединен с выходом первого электроакустического преобразователя, подключенного входом к выходу генератора электрических колебаний, второй электроакустический преобразователь, подключенный выходом к входу усилителя, соединенного выходом через последовательно включенные амплитудный детектор, интегратор и пороговое устройство с входом узла индикации наличия возгорания, предусмотрены следующие отличия: в него введен акустический резонатор, сопряженный входом с чувствительным элементом посредством механической связи на участке, расположенном между выходом первого электроакустического преобразователя и рабочей зоной чувствительного элемента, при этом выход акустического резонатора сопряжен посредством акустической связи с входом второго электроакустического преобразователя.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом упрощается размещение сигнализатора возгорания на контролируемом объекте и повышается надежность сигнализации.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображены: чувствительный элемент 1; первый электроакустический преобразователь 2; генератор электрических колебаний 3; второй электроакустический преобразователь 4; усилитель 5; амплитудный детектор 6; интегратор 7; пороговое устройство 8; индикатор наличия возгорания 9; акустический резонатор 10.
Чувствительный элемент 1 представляет собой протяженный термостойкий акустический волновод, соединенный входом с выходом первого электроакустического преобразователя 2, вход которого подключен к выходу генератора электрических колебаний 3. Второй электроакустический преобразователь 4 подключен выходом к входу усилителя 5. Выход усилителя 5 соединен через последовательно включенные амплитудный детектор 6, интегратор 7 и пороговое устройство 8 с входом узла индикации наличия возгорания 9. Вход акустического резонатора 10 сопряжен с чувствительным элементом 1 посредством механической связи на участке, расположенном между выходом первого электроакустического преобразователя 2 и рабочей зоной чувствительного элемента 1. Выход акустического резонатора 10 сопряжен посредством акустической связи с входом второго электроакустического преобразователя 4.
Чувствительный элемент 1 выполнен в виде гибкого провода из термостойкого металла. Рабочая зона чувствительного элемента 1 расположена по всей его длине за исключением участка, находящегося между точками подключения к чувствительному элементу 1 выхода первого электроакустического преобразователя 2 и входа акустического резонатора 10. Первый 2 и второй 4 электроакустические преобразователи могут быть, например, пьезоакустическими. Акустический резонатор 10 может быть выполнен, например, в виде полой металлической сферы с отверстием, являющимся выходом резонатора, входом резонатора является участок его внешней поверхности, сопряженный посредством механической связи с поверхностью чувствительного элемента 1. Частота основного резонанса акустического резонатора 10 расположена в области звуковых частот.
Сигнализатор возгорания работает следующим образом.
Первый электроакустический преобразователь 2 преобразует выходной сигнал генератора электрических колебаний 3 в механические колебания ультразвуковой частоты, которые возбуждают в чувствительном элементе 1 продольные акустические волны. Эти ультразвуковые волны распространяется от первого электроакустического преобразователя 2 к противоположному от него концу чувствительного элемента 1. Акустические волны, дойдя до конца чувствительного элемента 1, отражаются и двигаются обратно к первому электроакустическому преобразователю 2. В результате взаимодействия прямых и отраженных волн в чувствительном элементе 1 образуются стоячие акустические волны. Частота выходного сигнала генератора электрических колебаний 3 и длина чувствительного элемента 1 выбраны таким образом, что в точке механического сопряжения чувствительного элемента 1 с входом акустического резонатора 10 формируется пучность стоячих акустических волн. Колеблющийся с ультразвуковой частотой чувствительный элемент 1, воздействуя механически на вход акустического резонатора 10, возбуждает в нем ряд собственных резонансных колебаний. В результате сложения этих колебаний, имеющих различные амплитуды, частоты и фазы, на выходе акустического резонатора 10 образуется шумоподобный звуковой сигнал.
С выхода акустического резонатора 10 колебания звуковой частоты поступают на вход второго электроакустического преобразователя 4, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается по амплитуде в соответствующей полосе частот усилителем 5, а затем преобразуется амплитудным детектором 6 и интегратором 7 в постоянное напряжение, величина которого пропорциональна мощности звуковых колебаний на входе второго электроакустического преобразователя 4. При отсутствии возгорания величина напряжения на выходе интегратора 7 превышает уровень напряжения срабатывания порогового устройства 8, вследствие чего на выходе порогового устройства 8 формируется напряжение высокого уровня, которое блокирует работу узла индикации наличия возгорания 9.
При возникновении возгорания и воздействии пламени на чувствительный элемент 1 в зоне воздействия образуется участок с повышенной температурой. В результате изменяется скорость распространения ультразвуковых колебаний в чувствительном элементе 1 и, как следствие, изменяются энергия стоячих волн и картина распределения пучностей и узлов этих волн по длине чувствительного элемента 1. Следствием этого является существенное уменьшение мощности звуковых колебаний на выходе акустического резонатора 10, а следовательно, и уменьшение уровня соответствующего сигнала на выходе усилителя 5, амплитудного детектора 6 и интегратора 7. Если величина постоянного напряжения на выходе интегратора 7 становится меньше уровня порога срабатывания порогового устройства 8, то на выходе порогового устройства 8 формируется напряжение низкого уровня, которое активизирует узел индикации наличия возгорания 9.
После устранения возгорания и снижения температуры чувствительного элемента 1 энергия стоячих ультразвуковых волн и картина распределения пучностей и узлов этих волн по длине чувствительного элемента 1 возвращаются к состоянию, которое предшествовало возгоранию, при этом в акустическом резонаторе 10 вновь возбуждаются звуковые колебания соответствующей мощности, вследствие чего на выходе порогового устройства 8 формируется напряжение высокого уровня, которое блокирует работу узла индикации наличия возгорания 9.
Таким образом, предлагаемый сигнализатор возгорания выгодно отличается от прототипа, поскольку работоспособен при подключении соответствующих функциональных устройств, входящих в его состав, лишь к одному концу протяженного чувствительного элемента, при этом другой конец чувствительного элемента остается свободным. Это облегчает прокладывание чувствительного элемента сигнализатора на контролируемом объекте, следуя форме объекта, облегчает подвод к сигнализатору линий электропитания, съема и обработки информации, а также облегчает процесс налаживания и обслуживания, что в совокупности упрощает размещение предлагаемого сигнализатора на контролируемом объекте.
Кроме того, по сравнению с прототипом повышается надежность сигнализации, поскольку интерференция прямых и отраженных от акустической неоднородности, появляющейся в чувствительном элементе вследствие его нагрева пламенем, ультразвуковых волн не препятствует срабатыванию сигнализатора при возникновении возгорания.
Применение предлагаемого сигнализатора в системах распределенного контроля протяженных пожароопасных объектов позволит повысить эффективность этих систем за счет упрощения их конструкции, повышения надежности функционирования, а также снижения стоимости размещения и обслуживания на контролируемом объекте.