АВТОНОМНАЯ СИГНАЛЬНО-ПУСКОВАЯ СИСТЕМА ПОЖАРОТУШЕНИЯ
AUTONOMOUS SIGNAL-START SYSTEM OF FIREFIGHTING

Предлагаемая система относится к противопожарной технике, а более конкретно - к автоматическим устройствам сигнализации о пожарной обстановке и управления противопожарным оборудованием, и может быть использована для противопожарной защиты различных объектов и одновременной передачи сигналов тревоги на удаленную станцию.
Известны автономные сигнально-пусковые системы пожаротушения (авт. свид. СССР №№1261676, 1277159, патенты РФ №№2022250, 2024064, 2115451, 2138856, 2170951, 2165781, 2175779, 2254614, 2256228, 2275688, 2344859, 2355037; патенты США №№3786461, 4661320; патент Великобритании №2324398; патенты ЕР №№0360126, 0657728 и др.)
Из известных систем наиболее близкой к предлагаемой является «Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения» (патент РФ №2355037, G08B 17/00, 2007), которая и выбрана в качестве прототипа.
Указанная система содержит конструктивно объединенные, заключенные в едином корпусе тепловой пускатель и соединенный с ним источник тока с пиротехническим активатором. К источнику тока подключено реле времени, которое на выходе соединено с сигнальным устройством через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройством через нормально разомкнутый контакт. Источник тока представляет собой оболочку с размещенной в ней с возможностью контакта с пиротехническим активатором твердотельной шашкой из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа.
Технической задачей изобретения является повышение надежности дистанционной сигнализации о возникновении пожара на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Поставленная задача решается тем, что автономная сигнально-пусковая система пожаротушения, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, последовательно соединенные тепловой пускатель, источник тока с пиротехническим активатором и реле времени, которое соединено с сигнальным устройством через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройством через нормально разомкнутый контакт, при этом тепловой пускатель и источник тока с пиротехническим активатором конструктивно объединены и заключены в корпус, тепловой пускатель выполнен в виде подпружиненного штока, установленного с возможностью поступательного перемещения и взаимодействия с пиротехническим активатором источника тока, причем один из концевых участков подпружиненного штока расположен с возможностью выступания из корпуса и снабжен фиксатором, выполненным из материала с термомеханической памятью формы, источник тока включает оболочку с размещенной в ней с возможностью контакта с пиротехническим активатором твердотельной шашкой из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа, сигнальное устройство выполнено в виде передатчика сигнала на удаленный приемник, отличается от ближайшего аналога тем, что передатчик сигнала выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, n-отводной линии задержки, фазоинверторов, включенных в m-отводы n-отводной линии задержки, сумматор, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом задающего генератора, усилителя мощности и передающей антенны, а приемник выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора, второй вход которого через вторую линию задержки соединен с выходом ключа, и блока регистрации, управляющий вход генератора пилообразного напряжения соединен с выходом порогового блока.
Структурная схема автономной сигнально-пусковой системы пожаротушения представлена на фиг.1. График изменения напряжения на выходных контактах источника тока показан на фиг.2. Конструктивно объединенные в едином корпусе источник тока с пиротехническим активатором и тепловым пускателем электрического действия изображены на фиг.3. Конструктивно объединенные в едином корпусе источник тока с пиротехническим активатором и тепловым пускателем ударного действия изображены на фиг.4. Структурная схема передатчика представлена на фиг.5. Структурная схема приемника представлена на фиг.6. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы передатчика и приемника, изображены на фиг.7.
Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения содержит последовательно соединенные тепловой пускатель 1, источник тока 2 с пиротехническим активатором 3 и реле времени 4, которое соединено с сигнальным устройством 5 через нормально замкнутый контакт и дополнительно соединено с исполнительным устройство 6 через нормально разомкнутый контакт.
Тепловой пускатель 1 и источник тока 2 с пиротехническим активатором 3 конструктивно объединены и заключены в едином корпусе 7, выполненном из электроизоляционного материала. В качестве электроизоляционного (неэлектропроводного) и немагнитного материала при изготовлении элементов системы могут быть использованы пластические материалы, материалы на основе стекло- или органоволокна. Тепловой пускатель 1 выполнен в виде цилиндрического штока 8, установленного в корпусе 7. Шток 8 оснащен приводом его поступательного перемещения, который представляет собой пружину 9 сжатия, установленную коаксиально на штоке 8 в его средней части. Концевой участок 10 подпружиненного штока 8 расположен с возможностью выступания из корпуса 7 и имеет фигурную проточку для взаимодействия с термочувствительным фиксатором 11, выполненным в форме скобы диаметром около 20 мм из материала с термомеханической памятью формы, например никелида титана.
Тепловой пускатель 1 имеет возможность взаимодействовать с пиротехническим активатором 3 источника тока 2 двумя различными способами, отличающимися их конструктивными воплощениями.
Тепловой пускатель 1 электрического действия, изображенный на фиг.3, снабжен соленоидом 12 с центральным осевым каналом 13, выводы 14 которого электрически соединены с пиротехническим активатором 3. При этом пиротехнический активатор 3 выполнен в виде мостика накаливания 15, электрически соединенного с выводами 14, и нанесенной на него навеской инициирующего вещества 16. Кроме этого, второй концевой участок 17 подпружиненного штока 8 намагничен (на чертежах соответствующие полюсы постоянного магнита обозначены буквами S и N) и установлен с возможностью перемещения внутри центрального осевого канала 13 соленоида 12.
Тепловой пускатель 1 ударного действия, изображенный на фиг.4, характеризуется тем, что второй концевой участок 17 его подпружиненного штока 8, обращенный в сторону пиротехнического активатора 3, снабжен коническим бойком 18. При этом пиротехнический активатор 3 выполнен в виде воспламенителя и навески инициирующего вещества 16 и капсюля 19.
Источник тока 2 является устройством питания постоянной готовности на основе теплового химического источника тока резервного типа, который представляет собой конструкцию в герметичной оболочке 20 с твердотельной шашкой 21 из твердосолевой бессепаратной электрохимической композиции на основе литиевого сплава и дисульфида железа. При этом твердотельная шашка 21 непосредственно контактирует с навеской инициирующего вещества 16 пиротехнического активатора 3, который также, преимущественно, размещен в герметичной оболочке 20. Источник тока 2 имеет электрические выводы 22, которые нормально соединены с входными контактами реле времени 4.
Реле времени 4 представляет собой электронный двухпозиционный временной переключатель, который через нормально замкнутый выходной контакт электрически соединен с сигнальным устройством 5 и одновременно через нормально разомкнутый выходной контакт электрически соединен с исполнительным устройством 6.
Исполнительное устройство 6 представляет собой, преимущественно, генератор огнетушащего аэрозоля с электрическим средством запуска, например, пиропатроном, который собственно и подключен к нормально разомкнутому контакту реле времени 4.
Сигнальное устройство 5 представляет собой, преимущественно, передатчик радиосигнала на удаленный приемник.
Передатчик содержит последовательно включенные задающий генератор 23, n-отводную линию задержки 24.i (i=1, 2,…, n), фазоинверторы 25.j (j=1, 2, …, m), включенные в m отводы n-отводной линии задержки 24.i, сумматор 26, (n+1)-ый вход которого соединен с выходом задающего генератора 23, усилитель 27 мощности и передающую антенну 28.
Приемник содержит последовательно включенные приемную антенну 29, усилитель 30 высокой частоты, смеситель 31, второй вход которого через гетеродин 33 соединен с выходом генератора 32 пилообразного напряжения, усилитель 34 промежуточной частоты, удвоитель 37 фазы, второй анализатор 38 спектра, блок 39 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 36 спектра соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, пороговый блок 40, второй вход которого через первую линию задержки 41 соединен с его выходом, ключ 42, второй вход которого соединен с выходом усилителя 34 промежуточной частоты, фазовый детектор 43, второй вход которого через вторую линию задержки 44 соединен с выходом ключа 42, и блок 45 регистрации. Анализаторы 36 и 38 спектра, удвоитель 37 фазы, блок 39 сравнения, пороговый блок 40 и первая линия задержки 41 образуют обнаружитель (селектор) 35 фазоманипулированного (ФМН) сигнала.
Автономная сигнально-пусковая система пожаротушения функционирует следующим образом.
Система эффективна при использовании ее, преимущественно, на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах. Основные элементы системы доставляются на объект в собранном виде и во взведенном положении устанавливаются стационарно в месте наиболее вероятного возникновения пожара. После монтажа системы пожаротушения снимают все предохранители, в том числе и со штока 8 (на чертеже не показан), и она переводится в дежурный режим.
При возникновении пожара и повышении температуры в зоне расположения термочувствительного фиксатора 11 до порога срабатывания (72°C) в его материале происходит мартенситное превращение, сопровождающееся восстановлением предварительно заданной формы скобы, последняя разжимается, восстанавливая свою форму, и высвобождает концевой участок 10 штока 8. Шток 8 под воздействием пружины 9 привода (его поступательного движения), начинает движение вниз. Вместе со штоком 8 перемещается и его второй концевой участок 17. Далее возможна реализация схемы пиротехнического активатора 3 с тепловым пускателем 1 электрического действия или пиротехнического активатора 3 с тепловым пускателем 1 ударного действия.
В первом случае подпружиненный шток 8 взаимодействует с пиротехническим активатором 3 посредством намагниченного второго концевого участка 17, который перемещается внутрь центрального осевого канала 13 соленоида 12 и вырабатывает импульс тока, передающийся через электрические выводы 14 на мостик накаливания 15 пиротехнического активатора 3. Необходимая величина электрического импульса составляет 0,5-1,0 А, а длительность - 1-10 мс.
Во втором случае подпружиненный шток 8 взаимодействует с пиротехническим активатором 3 посредством конического бойка 18, который ударяет по капсюлю 19.
0
1
1
В обоих случаях происходит воспламенение навески инициирующего вещества 16, которое за короткое время расплавляет твердосолевую электрохимическую композицию твердотельной шашки и переводит источник тока 2 в состояние генерирования тока заданной величины. Как показывает график (фиг.2), короткое время активации (t≤1 c) позволяет использовать источник тока 2 в средствах и устройствах с малым временем приведения в рабочее состояние. В течение периода времени t происходит включение и функционирование сигнального устройства 5. Длительность периода времени t обеспечивается реле времени 4, задается при монтаже системы пожаротушения и зависит от регламента и плана аварийных действий на охраняемом объекте. В течение указанного периода времени обязательно сохраняется нормально замкнутый электрический контакт выхода реле времени 4 с сигнальным устройством 5, который обеспечивает передачу радиосигнала на удаленный приемник.
Для этого задающим генератором 23 формируется радиоимпульс (фиг.7, а)
c
c
c
c
э
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤τ,
c
c
c
э
где U, w, φ, τ - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность радиоимпульса.
э
зi
э
Сформированный радиоимпульс с выхода задающего генератора 23 поступает на вход многоотводной линии задержки 24.i (i=1, 2,…, n) и на (n+1)-ый вход сумматора 26. В многоотводной линии задержки 24.i время задержки между ближайшими соседними отводами равно длительности радиоимпульса τ (τ=τ, i=1, 2,…, n). В некоторых отводах линии задержки включены фазоинверторы 25.j (j=1, 2, …, m), обеспечивающие на своих выходах поворот фазы на 180° (в соответствии с идентификационным кодом M(t) (фиг.7, б) объекта пожарной безопасности (фиг.7, в, г). На выходе сумматора 26 формируется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН) в виде алгебраической суммы радиоимпульсов со всех отводов линии задержки 24.i (i=1, 2,…, n) и с выхода задающего генератора 23 (фиг.7, д)
1
с
с
к
с
c
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
K
K
э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом М(t), причем φ(t)=const при Кτ<t<(К+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (радиоимпульсами) (К=1, 2, …, n);
э
с
с
э
τ, n - длительность и количество элементарных посылок (радиоимпульсов), из которых составлен сигнал длительностью Т (Т=τ·n).
Данный сигнал после усиления в усилителе 27 мощности поступает в передающую антенну 28, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 29, установленной на пункте контроля, и через усилитель 30 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 31, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 33 линейно-изменяющейся частоты
г
г
г
г
п
2
u(t)=U·Cos(wt+πγt+φ), 0≤t≤Т,
где  - скорость изменения частоты гетеродина 33;
п
Т - период перестройки.
Следует отметить, что поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется с помощью генератора 32 пилообразного напряжения, который по линейному закону изменяет частоту гетеродина 33. На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 34 промежуточной частоты выделяется напряжение промежуточной частоты
up
up
up
K
+
up
с
2
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)-πγt φ], 0<=t=<Т,
где ;
up
с
г
w=w-w - промежуточная (разностная) частота;
up
с
г
φ=φ-φ,
которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейно частотной модуляцией (ФМН - ЛЧМ).
up
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34 промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя (селектора) 35 ФМн-сигнала, состоящего из удвоителя 37 фазы, анализаторов 36 и 38 спектра, блока 39 сравнения, порогового блока 40 и первой линии задержки 41.
На выходе удвоителя 37 фазы образуется напряжение
2
2
up
up
с
2
u(t)=U·Cos[2wt-2πγt+2φ], 0≤t≤Т,
где
в котором манипуляция фазы уже отсутствует.
2
с
э
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью Т сигнала , тогда как ширина спектра входного ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок , т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в n раз меньше ширины спектра входного сигнала .
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в n раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.
с
2
I
II
с
2
I
II
пор
пор
пор
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется анализатором 36 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала - с помощью анализатора 38 спектра. Напряжения U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 36 и 38 спектра поступают на два входа блока 39 сравнения. Так как U>>U, то на выходе блока 39 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 40. Пороговый уровень U выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового напряжения U в пороговом блоке 40 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 42, открывая его, на вход линии 41 задержки и на управляющий вход генератора 32 пилообразного напряжения, выключая его. Ключ 42 в исходном состоянии всегда закрыт.
При прекращении перестройки частоты гетеродина 32 усилителем 34 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение (фиг.7, е)
up1
пр
up
к
up
с
U(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
На выходе удвоителя 37 фазы в этом случае выделяется гармоническое напряжение (фиг.7, ж)
3
2
up
up
с
u(t)=U·Cos(2wt+2φ), 0≤t≤Т.
up1
з
э
з
э
Напряжение U(t) с выхода усилителя 34 промежуточной частоты через открытый ключ 42 поступает на два входа фазового детектора 43 непосредственно и через линию 44 задержки, время задержки τ которой выбирается равной длительности τ элементарных посылок (τ=τ). При этом опорным напряжением, необходимым для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, для каждой последующей посылки служит предыдущая посылка. На выходе фазового детектора 43 образуется низкочастотное напряжение (фиг.7, и)
н
н
к
c
u(t)=U·Cos·φ, 0≤t≤T,
где ;
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.7, б), за исключением первой элементарной посылки.
Фазовый детектор 43 и линия задержки 44 образуют автокорреляционный демодулятор ФМн-сигналов, который свободен от явления «обратной работы», присущей известным демодулятором ФМн-сигналов (схемы А.А.Пистолькорса, В.И.Сифорова, Г.А.Травина, Д.Ф.Костаса).
н
Низкочастотное напряжение u(t) фиксируется блоком 45 регистрации.
с
Несущая частота w и модулирующий код M(t) являются идентификационными признаками объекта пожарной безопасности, где возник пожар. По этим признакам на пункте контроля принимается решение о месте возникновения пожара и мерах по его ликвидации.
1
н
Время задержки τ линии задержки 41 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать и проанализировать низкочастотное напряжение u(t).
1
2
1
2
Для надежной передачи сигнала тревоги достаточно пятнадцатисекундного импульса (t≤15 с). В течение периода времени t происходит подключение и запуск генератора огнетушащего аэрозоля исполнительного устройства 6. Указанное подключение обеспечивается реле времени 4, по команде которого по окончании временного периода t осуществляется замыкание нормально разомкнутого выходного контакта реле времени 4 с электрическим средством запуска, например, пиропатроном генератора огнетушащего аэрозоля. После срабатывания пиропатрона генератора огнетушащего аэрозоля последний функционирует автономно и в электропитании от источника тока 2 не нуждается. Для надежного запуска генератора огнетушащего аэрозоля исполнительного устройства 6 достаточно пятисекундного импульса (t=2-5 с).
1
По истечении времени τ напряжение с выхода порогового блока 40 через линию задержки 41 поступает на вход сброса порогового блока 40 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 42 закрывается, а генератор 32 пилообразного напряжения включается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния.
При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте и с другим модулирующим кодом работа приемника происходит аналогичным образом.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивает повышение надежности дистанционной сигнализации о возникновении пожара на удаленных, труднодоступных и редко посещаемых объектах путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Указанные сигналы обладают высокой помехоустойчивостью, энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.