СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ЛЕСНОГО ПОЖАРА
METHOD FOR DETECTION OF FOREST FIRES

Изобретение относится к лесному хозяйству, преимущественно к охране лесов от пожаров, и может быть использовано для обнаружения лесного пожара и его характеристик.
Известен способ диагностики лесного пожара, включающий исследование лесных ландшафтов инфракрасным методом, определение контура лесного пожара, проведение дистанционного контактного зондирования фронта пожара в отдельных его точках, установление термодинамической температуры и суммарного теплового потока пожара [1].
Недостатком данного способа является то, что его реализация предполагает значительные материальные затраты, обусловленные резким увеличением в последние годы стоимости аренды летательных аппаратов. Кроме того, в условиях плохой видимости затруднено не только снятие характеристик лесного пожара, но и непосредственно его обнаружение, поскольку в целях безопасности полеты летательных аппаратов в сложных метеоусловиях могут быть запрещены.
Известен способ обнаружения лесного пожара, включающий восприятие тепловой энергии, преобразование ее во внутреннюю энергию одного, затем другого тела, последующее преобразование внутренней энергии последовательно в электрическую и электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре [2].
Недостатки этого способа заключаются в относительно низкой чувствительности обнаружения пожара и в излишне продолжительном (в четыре этапа) преобразовании тепловой энергии, что увеличивает время выявления возгорания и снижает надежность аппаратуры, реализующей указанный способ. Низкая чувствительность обуславливается преобразованием внутренней энергии жидкости в пар, энергия которого затем используется для вращения турбогенератора. На продуцирование из жидкости необходимого для вращения количества пара расходуется достаточно много тепловой энергии. Если при этом учесть, что турбина находится на определенном расстоянии от парогенератора, то обязательным становится продуцирование перегретого пара, который не успел бы сконденсироваться на пути к турбине. На перегрев пара затрачивается дополнительная тепловая энергия. В результате этого лесной пожар может быть обнаружен только при достаточно близком подходе его кромки к аппаратуре, что в совокупности со временем преобразования тепловой энергии в электромагнитное излучение увеличивает продолжительность выявления возгорания. Кроме того, за время преобразования тепловой энергии в электромагнитное излучение аппаратура может оказаться в очаге пламени и выйти из строя из-за высокой температуры до момента подачи сигнала тревоги в эфир.
Прототипом является способ обнаружения лесного пожара, включающий восприятие тепловой энергии, преобразование ее в три этапа во внутреннюю энергию рабочего тела, сопровождающееся изменением агрегатного состояния рабочего тела, включающим превращение жидкой его фазы в парообразную, последующее преобразование внутренней энергии в электрическую, а затем в электромагнитное излучение, передаваемое в эфир в качестве сигнала о пожаре, при этом тепловую энергию преобразуют во внутреннюю энергию рабочего тела на первом этапе, на втором этапе внутреннюю энергию рабочего тела преобразуют в электрическую при температуре, соответствующей точке кипения жидкой фазы рабочего тела, путем использования энергии волн, образующихся на поверхности жидкой фазы при кипении, внутренней энергии парового пузыря, образующегося при кипении жидкой фазы, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, а преобразование электрической энергии в электромагнитное излучение проводят на третьем этапе [3].
Недостатки этого способа следующие. Во-первых, преобразование внутренней энергии рабочего тела в электрическую осуществляется с недостаточно высокой эффективностью, поскольку при нагреве жидкости (рабочего тела) уменьшается ее плотность и увеличивается количество пузырей, что снижает энергию волн и, в конечном счете, понижает величину электрической мощности.
Во-вторых, процесс этот еще больше усугубляется по мере уменьшения жидкости (в результате ее выкипания) из-за того, что среда становится двухфазной с большим содержанием паровой фазы. Поскольку по продолжительности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую (по продолжительности электромагнитного излучения) определяют мощность лесного пожара, то для повышения достоверности информации необходимо стремиться к тому, чтобы преобразование происходило практически до полного испарения жидкости.
Кроме того, при значительном выкипании жидкости поплавок колебательной системы упирается в дно корпуса, колебания прекращаются, и преобразование энергии заканчивается. В связи с этим возрастают весогабаритные характеристики устройства, реализующего способ, так как внутренняя энергия получившегося остатка невыкипевшей жидкости не преобразовывается в электрическую энергию.
Задачей изобретения является повышение эффективности преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую и уменьшение весогабаритных характеристик устройства, реализующего способ.
Задача решается тем, что в способе обнаружения лесного пожара, включающем передачу в эфир в качестве сигнала о пожаре электромагнитного излучения, сформированного посредством электрической энергии, полученной восприятием тепловой энергии пожара, превращением ее во внутреннюю энергию рабочего тела, обеспечивающую кипение жидкой фазы последнего, и последующим преобразованием соединенными между собой магнитоэлектрической и колебательной системами энергии волн, образуемых на поверхности жидкой фазы при кипении, и выталкивающей силы, действующей на паровой пузырь, колебательную систему выполняют в виде двух связанных подсистем, одну из которых используют в качестве преобразователя энергии волн и выталкивающей силы в колебательную энергию, а другую - как транслятор этой энергии. Период колебания одной подсистемы делают больше периода колебаний другой. В процессе кипения увеличивают КПД преобразования. Периодически изменяют степень связи подсистем.
Из уровня техники не выявлены решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения и оказывающие такое же, как и они, влияние на технический результат.
Сущность изобретения отражают следующие операции:
- колебательную систему выполняют в виде двух связанных подсистем, одну из которых используют в качестве преобразователя энергии волн и выталкивающей силы в колебательную энергию, а другую - как транслятор этой энергии;
- период колебания одной подсистемы делают больше периода колебаний другой;
- в процессе кипения увеличивают КПД преобразования;
- периодически изменяют степень связи подсистем.
Указанные операции позволяют достичь следующих преимуществ по сравнению с прототипом.
Выполнение колебательной системы в виде двух связанных подсистем, одну из которых используют в качестве преобразователя энергии волн и выталкивающей силы в колебательную энергию, а другую - как транслятор этой энергии, дает возможность при определенных условиях второй подсистеме колебаться достаточно сильно, когда колебания первой подсистемы почти исчезают. В результате этого повышается эффективность преобразования энергии.
Выполнение периода колебания одной подсистемы больше периода колебаний другой способствует более высокой скорости движения магнитоэлектрической системы, благодаря чему повышается величина электрической энергии, т.е. эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую.
Увеличение в процессе кипения КПД преобразования позволяет стабилизировать на протяжении всего времени кипения вырабатываемую электрическую мощность, достаточную для передачи электромагнитного излучения в эфир. Это повышает эффективность преобразования и уменьшает весогабаритные характеристики устройства, реализующего способ, за счет того, что энергия вырабатывается до момента почти полного выкипания жидкости.
Периодическое изменение степени связи подсистем позволяет регулировать величину передачи энергии от одной системы к другой, что также способствует повышению эффективности преобразования и уменьшению весогабаритных характеристик устройства. Например, в случае внезапной остановки одной системы (при значительном выкипании жидкости) практически мгновенно увеличивается ее жесткость, и энергия этой системы передается другой, в результате чего повышается эффективность преобразования внутренней энергии в электрическую и уменьшаются весогабаритные характеристики устройства.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображена схема устройства, реализующего способ обнаружения лесного пожара.
Устройство содержит корпус 1 с герметичной крышкой 2, имеющей упор 3, отверстие 4 для выпуска пара 5. На корпусе закреплен кронштейн 6 с катушкой 7, имеющей выводы 8, которая расположена в зазоре магнитной системы 9 с магнитами 10, прикрепленной через вторую, состоящую из рычага 11 и плоского пружинного подвеса 12, и первую, имеющую рычаг 13 и подвес 14, колебательные подсистемы к кронштейну 15 корпуса. На рычаге 13 закреплен поплавок 16 с гофрой 17 и эластичной выемкой 18, который погружен в жидкость 19 с паровыми пузырями 20.
Способ реализуют следующим образом.
В исходном состоянии устройство размещают на дереве, при этом отверстие 4 в крышке 2 корпуса 1 и часть пространства между крышкой и жидкостью 19 заливают легкоплавким материалом (на чертеже не показан), например воском. Это предотвращает колебания жидкости, поплавка и магнитной системы 9 (магниты 10 с магнитопроводом) при раскачивании дерева от порывов ветра, а следовательно, исключает наведение напряжения в катушке 7. В таком ждущем режиме устройство может находиться сколь угодно долго, при этом оно не затрачивает никакой энергии.
При возникновении пожара и приближении его кромки к устройству, последним воспринимают тепловую энергию и преобразуют ее на первом этапе во внутреннюю энергию жидкости 19 путем нагрева до температуры кипения. При этом воск расплавляется, поверхность жидкости становится подвижной, а пространство над жидкостью через отверстие 4 начинает сообщаться с атмосферой для выпуска пара 5, благодаря чему температура кипения жидкости будет постоянной и соответствовать температуре кипения при атмосферном давлении.
На втором этапе внутреннюю энергию преобразуют в электрическую посредством магнитоэлектрической системы, соединенной со связанными колебательными подсистемами, одну из которых используют в качестве преобразователя энергии волн и выталкивающей силы в колебательную энергию, а другую - как транслятор этой энергии. При этом первой подсистеме через поплавок 16 сообщают энергию волн, образующихся на поверхности жидкости 19 при кипении, и паровых пузырей 20, которую затем передают (транслируют) второй подсистемой магнитной системе 9. Электрическую энергию получают путем наведения напряжения в катушке 7 магнитной системой, которая с рычагом 11 совершает колебательные движения над катушкой. При этом упругий подвес 12 определяет жесткость этой подсистемы и степень связи ее с первой подсистемой.
Период колебания первой подсистемы (поплавка 16 с рычагом 13 и подвесом 14) делают больше периода колебаний второй путем выбора колеблющихся масс и жесткости подвесов. При этом колебания указанных подсистем уже не будут независимыми, поскольку системы обмениваются энергией. Колебания второй подсистемы с большей по сравнению с первой частотой способствуют увеличению скорости движения магнитов 10 над катушкой 7 и повышению, тем самым, эффективности преобразования внутренней энергии в электрическую.
В процессе кипения увеличивают КПД преобразования за счет выдавливания эластичной выемки 18 и растягивания гофры 17 вследствие расширения от повышения температуры воздуха (газа) внутри поплавка 16. При этом увеличивающийся за счет выдавливания выемки объем поплавка компенсирует уменьшение плотности кипящей жидкости, способствуя сохранению прежней величины выталкивающей силы, а растягивающаяся гофра поддерживает положение равновесия колебательных подсистем на прежней высоте, несмотря на понижение уровня жидкости при кипении.
Периодически изменяют степень связи подсистем посредством упора 3. При движении поплавка 16 с рычагом 13 вверх последний упирается (ударяется) в упор 3, в результате чего резко увеличивается жесткость подсистемы, образованной указанными поплавком, рычагом и подвесом 14, и энергия этой подсистемы более полно передается второй подсистеме. При этом последняя движется вверх самостоятельно, не увлекая за собой рычаг 13 с поплавком 16, т.е. не затрачивая на это энергию. Аналогичным образом можно изменять степень связи колебательных подсистем и при движении поплавка 16 вниз, например за счет удара им о дно корпуса 1 при значительном выкипании жидкости.
На третьем этапе электрическую энергию преобразуют в электромагнитное излучение при помощи передающей аппаратуры (на чертеже не показана), для чего напряжение, поступающее по проводам 8, выпрямляют и подают на накопитель, например конденсатор, с которого оно уже в качестве питающего напряжения поступает на эту аппаратуру. Получив питание, последняя начинает функционировать, передавая в эфир сигнал с информацией о своем местоположении (о месте пожара) или без таковой информации. В последнем случае достаточно точно определить место пожара можно при наличии хотя бы двух пеленгаторов, установленных в лесхозах. Очевидно, что для увеличения мощности необходимо увеличить количество катушек и магнитных систем.
Внедрение изобретения позволит повысить эффективность преобразования внутренней энергии рабочего тела в электрическую энергию (сигнал с информацией о месте возгорания лесного массива и характеристике пожара), увеличить время работы или снизить весогабаритные характеристики устройства, реализующего способ.
1. А.с. СССР №1225584, кл. A62C 3/02,1986 - аналог.
2. Заявка FR №2652269, кл. A62C 3/02, опубл. 29.03.1991 - аналог.
3. Пат. 2259854 РФ, кл. A62C 3/02, опубл. 10.09.2005. Бюл. №25 - прототип.