УСТРОЙСТВО АВАРИЙНОЙ ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
FIRE ALARM SIGNALLING DEVICE

Изобретение относится к устройствам аварийной пожарной сигнализации, приводимым в действие тепловым воздействием очага возгорания, 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.
Известен сигнализатор возгорания (Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радио, 2009, №4, с.36, 37), содержащий генератор импульсов ультразвуковой частоты, передающий и приемный пьезоакустические преобразователи, чувствительный элемент, представляющий собой гибкий провод из термостойкого металла, служащий ультразвуковым волноводом между пьезоакустическими преобразователями, расположенными с его противоположных концов, а также усилитель, детектор, интегратор, узел сравнения и узел индикации возгорания. В этом устройстве при возникновении возгорания и воздействии пламени на чувствительный элемент в зоне воздействия образуется участок с повышенной температурой. Следствие этого - 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. При достижении ими порогового значения вырабатывается сигнал оповещения о наличии возгорания, воспроизводимый узлом индикации.
Недостатками этого аналога являются низкая точность локализации очага возгорания по длине чувствительного элемента, низкая точность задания температуры срабатывания сигнализатора, а также необходимость подключения передающего и приемного пьезоакустических преобразователей к противоположным концам чувствительного элемента, что затрудняет монтаж и эксплуатацию аналога на контролируемом объекте.
Также известен сигнализатор возгорания (Ильин О. Сигнализатор возгорания. - Радиомир, 2009, №3, с.14-16), содержащий усилитель мощности, подключенный к входу излучающего пьезоакустического преобразователя, чувствительный элемент, выполненный в виде протяженной термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом (сплавом), приемный пьезоакустический преобразователь, подключенный к входу предварительного усилителя, выход которого соединен через цепь обратной связи с входом усилителя мощности, а также последовательно включенные детектор, интегратор, узел сравнения и узел индикации возгорания. Усилитель мощности, чувствительный элемент, пьезоакустические преобразователи, предварительный усилитель и цепь обратной связи образуют ультразвуковой генератор с самовозбуждением. При нагревании пламенем легкоплавкий материал (сплав) чувствительного элемента на участке, подвергнутом воздействию высокой температуры, плавится, в результате чего акустическая связь между передающим и приемным пьезоакустическими преобразователями существенно ослабляется, при этом генерируемые колебания срываются, что является основанием для формирования сигнала оповещения о наличии возгорания.
Недостатками второго аналога являются низкая точность локализации очага возгорания по длине чувствительного элемента, а также необходимость подключения передающего и приемного пьезоакустических преобразователей к его противоположным концам.
Также известно устройство аварийной пожарной сигнализации (патент РФ №2438183 от 27.08.2010, опубл. в Бюл. №36, 2011, МПК G08B 17/00, G08B 17/06, Н01Н 85/00), содержащее термочувствительный элемент, состоящий из термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом (сплавом), образующим линию акустической связи между передающим и приемным пьезоакустическими преобразователями, подключенными к противоположным концам термочувствительного элемента, формирователь ультразвуковых колебаний, выход которого соединен с входом передающего пьезоакустического преобразователя, усилитель, вход которого подключен к выходу приемного пьезоакустического преобразователя, а выход соединен с входом блока обработки и управления, выход которого подключен к входу сигнального средства, вторую линию акустической связи между пьезоакустическими преобразователями и блок модуляции акустического сопротивления термочувствительного элемента, при этом вторая линия акустической связи образована второй термостойкой трубкой, внутри которой расположен продольно термочувствительный элемент, вход блока модуляции акустического сопротивления термочувствительного элемента соединен с выходом усилителя, а выход этого блока посредством тепловой связи сопряжен с термочувствительным элементом на участке, расположенным между передающим пьезоакустическим преобразователем и рабочей зоной термочувствительного элемента.
В этом аналоге определение факта наличия возгорания, а также контроль исправности акустического канала связи осуществляются путем анализа сигналов, поступающих в блок обработки и управления в процессе амплитудной модуляции акустического сопротивления легкоплавкого материала (сплава) термочувствительного элемента, которая производится блоком модуляции акустического сопротивления термочувствительного элемента за счет периодического плавления и отвердевания легкоплавкого материала (сплава) на участке, расположенном между передающим пьезоакустическим преобразователем и рабочей зоной термочувствительного элемента.
Недостатками третьего аналога являются низкая точность локализации очага возгорания по длине термочувствительного элемента, а также необходимость подключения передающего и приемного пьезоакустических преобразователей к его противоположным концам.
В качестве прототипа выбрано устройство аварийной пожарной сигнализации (патент РФ №2315362 от 22.05.2006, опубл. в Бюл. №2, 2008, МПК G08B 17/06), содержащее источник электропитания, термочувствительный элемент, сигнальное средство, формирователь ультразвуковых импульсов, излучающий и приемный пьезоакустические преобразователи, усилитель, блок обработки и управления, один выход которого подключен к входу формирователя ультразвуковых импульсов, а другой - ко входу сигнального средства, при этом один вход блока обработки и управления соединен с выходом источника питания, а другой - с выходом усилителя, выход формирователя ультразвуковых колебаний подключен ко входу излучающего пьезоакустического преобразователя, выход которого соединен с одним концом термочувствительного элемента, выполняющего роль акустической линии связи, параметры которой зависят от температуры, а другой конец его - со входом приемного пьезоакустического преобразователя, выход которого соединен со входом усилителя, при этом термочувствительный элемент представляет собой шнуроподобную конструкцию и выполнен в виде термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом (сплавом), температура плавления которого задается рецептурой состава материала (сплава).
В случае возникновения возгорания легкоплавкий материал (сплав) внутри термочувствительного элемента на участке, подвергнутом воздействию высокой температуры, плавится и переходит в жидкое состояние, вследствие чего уровень акустической связи между передающим и приемным пьезоакустическими преобразователями через термочувствительный элемент резко падает, при этом блок обработки и управления формирует сигнал включения средства сигнализации о наличии возгорания.
Недостатками прототипа являются низкая точность локализации очага возгорания по длине термочувствительного элемента, а также необходимость подключения передающего и приемного пьезоакустических преобразователей к его противоположным концам.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение точности локализации очага возгорания.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в устройстве аварийной пожарной сигнализации, содержащем термочувствительный элемент, состоящий из закрытой термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом (сплавом), образующим акустическую линию связи между выходом передающего пьезоакустического преобразователя, подключенного к первому концу термочувствительного элемента, и входом приемного пьезоакустического преобразователя, формирователь ультразвуковых колебаний, вход которого соединен с первым выходом блока обработки и управления, а выход подключен к входу передающего пьезоакустического преобразователя, усилитель, вход которого соединен с выходом приемного пьезоакустического преобразователя, выход усилителя соединен с входом блока обработки и управления, предусмотрены следующие отличия: приемный пьезоакустический преобразователь подключен к первому концу термочувствительного элемента, N вторых выходов блока обработки и управления соединены с соответствующими N вторыми входами сигнального средства, содержащего N+1 элементов индикации, подключенных своими входами к соответствующим N+1 входам сигнального средства, где N - целое число больше единицы, при этом первый выход блока обработки и управления соединен с первым входом сигнального средства.
Кроме того, предложенное устройство аварийной пожарной сигнализации отличается тем, что блок обработки и управления включает в себя N+1 полосовых фильтров, вход каждого из которых соединен с входом блока обработки и управления, а выход подключен к соответствующему выходу блока обработки и управления через последовательно соединенные амплитудный детектор, интегратор и пороговое устройство.
Между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом существует причинно-следственная связь, а именно: по сравнению с прототипом повышается точность локализации очага возгорания.
Изобретение поясняется чертежом.
Устройство аварийной пожарной сигнализации содержит: термочувствительный элемент 1, состоящий из закрытой термостойкой трубки 2, заполненной легкоплавким материалом (сплавом) 3; передающий 4 и приемный 5 пьезоакустические преобразователи; формирователь ультразвуковых колебаний 6; усилитель 7; блок обработки и управления 8; сигнальное средство 9.
Легкоплавкий материал (сплав) 3 образует акустическую линию связи между выходом передающего 4 и входом приемного 5 пьезоакустических преобразователей, подключенных к первому концу термочувствительного элемента 1. Выход приемного пьезоакустического преобразователя 5 подключен к входу усилителя 7, выход которого соединен с входом 15 блока обработки и управления 8. Вход формирователя ультразвуковых колебаний 6 соединен с первым выходом 16 блока обработки и управления 8 и первым входом 17 сигнального средства 9. N вторых 18 выходов блока обработки и управления 8 подключены соответственно к N вторым 19 входам сигнального средства 9.
Сигнальное средство 9 содержит N+1 элементов индикации 14, подключенных своими входами соответственно к первому 17 и N вторым 19 входам сигнального средства 9.
Блок обработки и управления 8 включает в себя N+1 полосовых фильтров 10, вход каждого из которых соединен с входом 15 блока обработки и управления 8, а выход подключен к соответствующему выходу блока обработки и управления 8 через последовательно соединенные амплитудный детектор 11, интегратор 12 и пороговое устройство 13.
Температура плавления материала (сплава) 3 задается рецептурой его состава. Термостойкая трубка 2 исключает вытекание материала (сплава) 3 в жидком состоянии из термочувствительного элемента 1 и выполнена из материала, поглощающего ультразвуковые колебания, что уменьшает влияние на работу устройства внешних акустических воздействий, например вибраций контролируемого объекта. Рабочая зона термочувствительного элемента 1 расположена по всей его длине за исключением участка, непосредственно примыкающего к передающему 4 и приемному 5 пьезоакустическим преобразователям.
Устройство аварийной пожарной сигнализации работает следующим образом.
При включении устройства электрический сигнал частотой Fo с выхода формирователя ультразвуковых колебаний 6 поступает на вход передающего пьезоакустического преобразователя 4, преобразующего этот сигнал в механические колебания ультразвуковой частоты, которые в виде продольных акустических волн распространяются по легкоплавкому материалу (сплаву) 3 к противоположному концу термочувствительного элемента 1, а затем, отразившись от него, распространяются в противоположном направлении, в результате чего в термочувствительном элементе 1 устанавливается режим стоячих акустических волн.
0
0
0
Частота F выходного сигнала формирователя ультразвуковых колебаний 6 выбрана таким образом, что ее значение совпадает со значением собственной частоты продольных механических колебаний стержня длиной L, образованного легкоплавким материалом (сплавом) 3, заключенным в термостойкую трубку 2. В результате резонанса этого стержня амплитуда механических колебаний, воздействующих через легкоплавкий материал (сплав) 3 на вход приемного пьезоакустического преобразователя 5, на частоте F принимает максимальное значение.
Приемный пьезоакустический преобразователь 5 преобразует механические колебания, поступающие на его вход, в электрический сигнал, который усиливается по амплитуде усилителем 7 и с его выхода подается на вход 15 блока обработки и управления 8, а затем - на вход каждого из полосовых фильтров 10.
0
0
Частота F лежит в полосе пропускания полосового фильтра 10, выход которого через соответствующие амплитудный детектор 11, интегратор 12 и пороговое устройство 13 подключен к первому выходу 16 блока обработки и управления 8. Амплитудный детектор 11, подключенный к выходу этого полосового фильтра 10, а также соответствующий интегратор 12 преобразуют сигнал частотой F в постоянное напряжение, пропорциональное амплитуде этого сигнала. При превышении постоянным напряжением порогового уровня на выходе порогового устройства 13, подключенного к первому выходу 16 блока обработки и управления 8, появляется напряжение высокого уровня, которое, воздействуя на первый вход 17 сигнального средства 9, активизирует элемент индикации 14, подключенный к его первому входу 17, что сигнализирует об отсутствии возгорания.
X
X
X
При возникновении возгорания термочувствительный элемент 1 на участке, подвергнутом воздействию высокой температуры, нагревается и при достижении температуры плавления легкоплавкий материал (сплав) 3 на этом участке переходит в жидкое состояние (на чертеже жидкий материал 3 (сплав) выделен уплотненной наклонной штриховкой), что приводит к уменьшению длины стержня, образованного твердым участком легкоплавкого материала (сплава) 3, примыкающим к первому концу термочувствительного элемента 1, до величины L и изменению резонансной частоты продольных колебаний этого стержня до значения F, где Х - натуральное число. В результате этого частота электрического сигнала на выходе приемного пьезоакустического преобразователя 5 и на выходе усилителя 7 также принимает значение F.
X
Частота F лежит вне полосы пропускания полосового фильтра 10, выход которого через соответствующие амплитудный детектор 11, интегратор 12 и пороговое устройство 13 подключен к первому выходу 16 блока обработки и управления 8. В результате этого постоянное напряжение на входе порогового устройства 13, подключенного к первому выходу 16 блока обработки и управления 8, становится ниже порогового уровня, вследствие чего на выходе этого порогового устройства 13 появляется напряжение низкого уровня, которое поступает на первый вход 17 сигнального средства 9 и дезактивизирует элемент индикации 14, подключенный к его первому входу 17, что сигнализирует о наличии возгорания.
0
X max
X max
X
X
X
С первого выхода 16 блока обработки и управления 8 напряжение низкого уровня поступает на вход формирователя ультразвуковых колебаний 6, в результате чего частота его выходного сигнала начинает периодически непрерывно изменяться в интервале частот от F до F, где F - максимальная возможная частота собственных продольных колебаний стержня, образованного твердым участком легкоплавкого материала (сплава) 3, примыкающим к первому концу термочувствительного элемента 1, соответствующая минимально возможной длине L стержня, достигаемой в результате его укорачивания вследствие плавления. В случае совпадения частоты выходного сигнала формирователя ультразвуковых колебаний 6 с частотой F происходит резонансное увеличение амплитуды продольных колебаний стержня образованного твердым участком легкоплавкого материала (сплава) 3, примыкающим к первому концу термочувствительного элемента 1, вследствие чего на частоте F происходит возрастание амплитуды электрического сигнала на выходе приемного пьезоакустического преобразователя 5 и на выходе усилителя 7.
N
N
X
X
N
Каждый из N полосовых фильтров 10, подключенных выходом через последовательно соединенные амплитудный детектор 11, интегратор 12 и пороговое устройство 13 к соответствующему N-му выходу 18 блока обработки и управления 8 имеет свою резонансную частоту F, на которой его коэффициент передачи максимален, при этом значение частоты F лежит в интервале возможных изменений частоты F. При совпадении частот F и F на соответствующем N-м выходе 18 блока обработки и управления 8 появляется напряжение высокого уровня, которое активизирует соответствующий N-й элемент индикации 14 сигнального средства 9.
X
X
Элементы индикации 14 сигнального средства 9, например светоизлучающие диоды, расположены относительно друг друга в линию, подобную протяженному термочувствительному элементу 1. Поскольку значение частоты F содержит информацию о длине L стержня, образованного твердым участком легкоплавкого материала (сплава) 3, примыкающим к первому концу термочувствительного элемента 1, то по расположению N-го активизированного элемента индикации 14 сигнального средства 9 относительно его других элементов индикации 14 можно оценить расстояние от первого конца термочувствительного элемента 1 до границы участка, на котором легкоплавкий материал (сплав) 3 находится в жидком состоянии, то есть определить место теплового воздействия пламени на термочувствительный элемент 1 и тем самым локализовать очаг возгорания по его длине.
После устранения возгорания и перехода легкоплавкого материала (сплава) 3 термочувствительного элемента 1 в твердое состояние устройство аварийной пожарной сигнализации вновь готово к работе.
Таким образом, вышеописанное устройство аварийной пожарной сигнализации выгодно отличается от прототипа тем, что формирует не только сигнал оповещения о наличии возгорания, но и сигнал, содержащий информацию о месте теплового воздействия пламени на термочувствительный элемент 1, что позволяет более точно локализовать очаг возгорания по длине этого элемента, кроме того, поскольку в предложенном устройстве передающий 4 и приемный 5 пьезоакустические преобразователи подключены к одному концу термочувствительного элемента 1, то облегчается монтаж и эксплуатация описанного устройства на контролируемом объекте.
Применение предложенного устройства в системах распределенного контроля протяженных пожароопасных объектов позволит повысить их эффективность работы за счет более точного определения местонахождения очага возгорания.