ДЫМОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к области пожарной сигнализации и может быть использована в системах пожарной сигнализации для выявления увеличения оптической плотности воздуха по интенсивности рассеяния инфракрасного излучения.
Известны пожарные извещатели, оптические датчики дыма и устройства регистрации дыма, работающие по принципу периодического излучения импульсов инфракрасного света и последующего их приема, усиления, и обработки полученного сигнала различными способами, формируя сигнал о наличии или отсутствии дыма (см. журнал "Системы безопасности связи и телекоммуникации", 2000, 33, с.65).
Известно устройство регистрации дыма (патент Российской Федерации RU 2221278, 7 G 08 B 17/10, опубл. 2004.01.10), содержащее тактовый генератор, излучатель, связанный через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотоприемником, схему сброса, формирователь сигнала регистрации дыма. Кроме того, устройство содержит схему синхронного детектирования, схему сравнения и запоминания, которая выполнена в виде первого и второго двоичных счетчиков, причем V-вход и R-вход первого двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания соединены с соответствующими выходами тактового генератора, выход упомянутого первого двоичного счетчика параллельно связан с входом излучателя, V-входом второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания и первым входом схемы синхронного детектирования, второй и третий входы которой связаны соответственно с выходами фотоприемника и схемы сброса, а выход - с R-входом второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания, выход второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания связан с С-входами
обоих счетчиков и со входом формирователя сигнала регистрации дыма.
Недостатком известного устройства является низкая достоверность его работы при высокой удельной оптической плотности среды, а также при тестовых проверках с помощью пробника, который в оптической камере со светопоглощающими стенками создает большой уровень рассеянного инфракрасного излучения от излучателя.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является выбранный в качестве прототипа дымовой пожарный извещатель (Извещатель пожарный дымовой оптико-электронный ИП212-41М ТУ 4371-005-12215496-00; Паспорт 4371-005-12215496-00 ПС), содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого подключен к первой клемме для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход элемента односторонней проводимости соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен ко входу интегратора и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод которого соединен со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход - к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и ко входу тактового генератора, первый, второй и третий выходы тактового генератора подключены соответственно к V-входу двоичного счетчика, к первому входу схемы сравнения и ко входу токового ключа, выводы питания токового ключа соединены с соответствующими выводами первого конденсатора, выход схемы сравнения соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен через пороговый элемент к выходу усилителя, а третий вход - к выходу схемы сброса по напряжению питания, к выходам токового ключа подключен излучающий инфракрасный диод, который оптически связан через камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, анод которого соединен со вторым выводом первого
конденсатора, а катод подключен ко входу усилителя, первый вывод питания которого соединен с выходом интегратора, а второй вывод питания - со вторым выводом первого конденсатора, усилитель содержит два транзистора, два конденсатора и восемь резисторов, база первого транзистора соединена со входом усилителя и с первыми выводами первого и второго резисторов, эмиттер первого транзистора через третий резистор соединен со вторым выводом первого резистора и с первыми выводами четвертого резистора и второго конденсатора, второй вывод которого соединен через второй вывод питания усилителя со вторым выводом первого конденсатора, а также с первыми выводами пятого, шестого и седьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора через третий конденсатор соединен со вторыми выводами второго и шестого резисторов и эмиттером второго транзистора, база которого подключена ко второму выводу пятого резистора, а коллектор соединен с выходом усилителя, а также через восьмой резистор - со вторым выводом четвертого резистора и первым выводом питания усилителя. Коллектор первого транзистора соединен с базой второго транзистора.
Недостатком прототипа также является низкая достоверность его работы при высокой удельной оптической плотности среды, а также при тестовых проверках с помощью пробника. Снижение достоверности работы объясняется тем, что на выходе усилителя формируется импульс сложной формы, который преобразуется пороговым элементом в сочетание двух импульсов, в результате чего на R-вход двоичного счетчика приходит импульс сброса. В результате - при тестовой проверке работоспособности пробником, который вводится в камеру со светопоглощающими стенками и создает большой уровень рассеянного инфракрасного излучения от излучателя, извещатель остается в дежурном режиме работы. Аналогичный результат получается при резком увеличении удельной оптической плотности воздуха, когда сопротивление фотодиода уменьшается на несколько порядков.
В основу полезной модели поставлена задача обеспечить формирование достоверного сигнала на выходе усилителя в широком диапазоне значений
удельной оптической плотности среды и при тестовых проверках извещателя с помощью пробника путем ограничения тока коллектора первого транзистора.
Поставленная задача решается тем, что дымовой пожарный извещатель, содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого подключен к первой клемме для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход элемента односторонней проводимости соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен ко входу интегратора и к первому выводу первого конденсатора, второй вывод которого соединен со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход - к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и ко входу тактового генератора, первый, второй и третий выходы тактового генератора подключены соответственно к V-входу двоичного счетчика, к первому входу схемы сравнения и ко входу токового ключа, выводы питания токового ключа соединены с соответствующими выводами первого конденсатора, выход схемы сравнения соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен через пороговый элемент к выходу усилителя, а третий вход - к выходу схемы сброса по напряжению питания, к выходам токового ключа подключен излучающий инфракрасный диод, который оптически связан через камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, анод которого соединен со вторым выводом первого конденсатора, а катод подключен ко входу усилителя, первый вывод питания которого соединен с выходом интегратора, а второй вывод питания - со вторым выводом первого конденсатора, усилитель содержит два транзистора, два конденсатора и восемь резисторов, база первого транзистора соединена со входом усилителя и с первыми выводами первого и второго резисторов, эмиттер первого транзистора через третий резистор соединен со вторым выводом первого резистора и с первыми выводами четвертого резистора и второго
конденсатора, второй вывод которого соединен через второй вывод питания усилителя со вторым выводом первого конденсатора, а также с первыми выводами пятого, шестого и седьмого резисторов, второй вывод седьмого резистора через третий конденсатор соединен со вторыми выводами второго и шестого резисторов и эмиттером второго транзистора, база которого подключена ко второму выводу пятого резистора, а коллектор соединен с выходом усилителя, а также через восьмой резистор - со вторым выводом четвертого резистора и первым выводом питания усилителя, согласно полезной модели, дополнительно содержит девятый резистор, первый вывод которого соединен с коллектором первого транзистора усилителя, а второй вывод - с базой второго транзистора усилителя, причем сопротивление этого резистора по крайней мере в пять раз больше сопротивления третьего резистора и по крайней мере в пять раз меньше сопротивления пятого резистора.
Использование предложенной конструкции обеспечивает ограничение тока коллектора первого транзистора, благодаря чему формируется достоверный сигнал на выходе усилителя даже в условиях высокого уровня оптической связи между фотодиодом и излучающим инфракрасным диодом. Указанные преимущества ведут к повышению достоверности контроля в широком диапазоне значений удельной оптической плотности среды и при тестовых проверках извещателя с помощью пробника. Причем в случае, когда сопротивление девятого резистора больше, чем в пять раз, сопротивления третьего резистора и на столько же меньше сопротивления пятого резистора, его применение в усилителе практически не изменяет коэффициент усиления этого усилителя.
На фигуре представлена блок-схема дымового пожарного извещателя.
Дымовой пожарный извещатель (см. фигуру) содержит индикатор 1, а также клеммы 2 и 3 для подключения к шлейфу пожарной сигнализации. К первой клемме 2 подключен вход элемента 4 односторонней проводимости, выход которого соединен с первым выводом электропитания формирователя 5
сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента 6. Выход токоограничительного элемента 6 подключен к первому выводу первого конденсатора 7, выводу питания токового ключа 8 и входу интегратора 9. Выход интегратора 9 подключен к первому выводу питания усилителя 10, второй вывод питания которого соединен со второй клеммой 3, вторыми выводами питания токового ключа 8 и формирователя 5 сигнала регистрации дыма и анодом фотодиода 11. Фотодиод 11 оптически связан через камеру 12 со светопоглощающими стенками с излучающим инфракрасным диодом 13, подключенным к выходу токового ключа 8. Выход формирователя 5 сигнала регистрации дыма подключен к индикатору 1, а вход - к выходу двоичного счетчика 14, к С-входу этого счетчика 14 и ко входу тактового генератора 15, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика 14. Второй выход тактового генератора 15 соединен с первым входом схемы 16 сравнения, а третий выход - с входом токового ключа 8. Второй вход схемы 16 сравнения подключен к выходу схемы 17 сброса по напряжению питания, а третий вход - через пороговый элемент 18 к выходу усилителя 10. Усилитель 10 выполнен на двух транзисторах 19 и 20. База первого транзистора 19 соединена с входом усилителя 10 и с первыми выводами первого и второго резисторов 21 и 22, эмиттер первого транзистора 19 через третий резистор 23 соединен со вторым выводом первого резистора 21 и с первыми выводами четвертого резистора 24 и второго конденсатора 25, второй вывод которого соединен с первыми выводами пятого, шестого и седьмого резисторов 26, 27 и 28, а также через второй вывод питания усилителя 10 - со вторым выводом первого конденсатора 7. Второй вывод седьмого резистора 28 через третий конденсатор 29 соединен со вторыми выводами второго резистора 22 и шестого резистора 27, а также - с эмиттером второго транзистора 20, база которого подключена ко второму выводу пятого резистора 26, а коллектор соединен с выходом усилителя 10, а также через восьмой резистор 30 - со вторым выводом четвертого резистора 24 и первым выводом питания усилителя 10. Коллектор первого транзистора 19 через девятый резистор 31 соединен с базой второго транзистора 20. На фигуре
выводы питания схемы 17 сброса по напряжению питания, тактового генератора 15, схемы 16 сравнения, порогового элемента 18 и двоичного счетчика 14 условно не показаны.
Дымовой пожарный извещатель работает таким образом. При подаче напряжения питания на входные клеммы 2 и 3 через элемент 4 односторонней проводимости и токоограничительный элемент 6 осуществляется заряд накопительного конденсатора 7. Элемент 4 односторонней проводимости осуществляет защиту других элементов дымового пожарного извещателя при ошибочном подключении полярности напряжения питания шлейфа пожарной сигнализации. Пока напряжение на выводах накопительного конденсатора 7 недостаточно для нормальной работы дымового пожарного извещателя, на выходе схемы 17 сброса по напряжению электропитания формируется низкий потенциальный уровень, который через схему 16 сравнения устанавливает на R-входе двоичного счетчика 14 высокий потенциальный уровень. В этом случае двоичный счетчик 14 будет находиться в нулевом состоянии независимо от сигналов на других его входах. Формирователь 5 сигнала регистрации дыма будет закрыт и индикатор 1 будет выключен. В то же время низкий потенциальный уровень, который поступает с выхода двоичного счетчика 14 на первый вход тактового генератора 15 и на С-вход этого же счетчика 14 разрешает работу тактового генератора 15 и двоичного счетчика 14.
После заряда конденсатора 7 до значения рабочего напряжения логических элементов происходит переключение схемы 17 сброса по напряжению питания. В момент изменения состояния на выходе схемы 17 сброса по напряжению питания на R-входе двоичного счетчика 14 устанавливается потенциальный уровень, который разрешает изменение состояний двоичного счетчика 14 при перепадах напряжения на его V-входе. На выходах тактового генератора 15 формируются импульсы с периодом следования около одной секунды. По каждому отрицательному перепаду сигнала на первом выходе тактового генератора 15 двоичный счетчик 14 изменяет свое состояние. Но при низком уровне удельной оптической
плотности среды, когда на выходе порогового элемента 18 наблюдается постоянный потенциальный уровень. Импульсами, приходящими со второго выхода тактового генератора 15 через схему 16 сравнения на R-вход двоичного счетчика 14, последний будет сбрасываться сразу же после завершения перепада на его V-входе.
С третьего выхода тактового генератора 15 импульсы поступают на вход токового ключа 8. Токовый ключ 8 обеспечивает разряд накопительного конденсатора 7 заданной величиной тока через свой выход на излучающий инфракрасный диод 13. Величина, на которую разряжается накопительный конденсатор 7, зависит от продолжительности и периода импульсов, которые появляются на третьем выходе тактового генератора 15, а также от отношения тока заряда накопительного конденсатора 7 через токоограничительный элемент 6 к току разряда этого конденсатора 7 через токовый ключ 8. Таким образом, установившееся падение напряжения на накопительном конденсаторе 7 будет превышать падение напряжения на выводах питания усилителя 10 на величину падения напряжения на интеграторе 9. За счет этой разницы потенциалов обеспечивается устойчивая работа усилителя 10, так как кратковременные провалы напряжения на выводах накопительного конденсатора 7 в моменты его разряда токовым ключом 8 за счет интегратора 9 не изменят режимов работы транзисторного усилителя 10.
Рассеянное оптической камерой 12 со светопоглощающими стенками инфракрасное излучение диода 13 поступает на фотодиод 11. Усиленные усилителем 10 импульсы по своей амплитуде и фазе существенно зависят от оптической плотности воздуха в оптической камере 12. Так, при абсолютной прозрачности воздуха на выходе усилителя 10 присутствуют треугольные импульсы малой амплитуды, так как имеет место некоторое отражение от стенок оптической камеры 12. Импульс треугольной формы на выходе усилителя 10 достигает своего максимума в момент окончания импульса на третьем выходе тактового генератора 15. При малой амплитуде этих импульсов на выходе схемы 16 сравнения появляются импульсы сброса двоичного
счетчика 14. Таким образом, по каждому положительному перепаду сигнала на своем V-входе двоичный счетчик 14 переключается, производя подсчет только одного импульса, и тут же сбрасывается от импульсов, приходящих на его R-вход. В дежурном режиме работы, когда удельная оптическая плотность воздуха ниже установленного уровня, по каждому импульсу на втором выходе тактового генератора 15 происходит сброс двоичного счетчика 14. На выходе старшего разряда двоичного счетчика 14, к которому подключен вход формирователя 5 сигнала регистрации дыма остается низкий потенциальный уровень, индикатор 1 не будет светиться, а формирователь 5 сигнала регистрации дыма будет выключен. Извещатель остается в дежурном режиме работы, потребляя от шлейфа пожарной сигнализации, который подключен к клеммам 2 и 3, ток, величина которого ограничена токоограничительным элементом 6.
При плавном увеличении удельной оптической плотности среды увеличивается амплитуда импульсов на выходе усилителя 10, пока не достигнет порогового значения переключения порогового элемента 18, при котором на R-входе двоичного счетчика 14 установится низкий потенциальный уровень, разрешающий счет импульсов, поступающих на V-вход этого счетчика 14. В этом случае по каждому импульсу на первом выходе тактового генератора 15 состояние двоичного счетчика 14 увеличивается на единицу, пока не состоится переключение старшего разряда двоичного счетчика 14, по которому запрещается дальнейший счет импульсов, что соответствует состоянию извещателя - "ПОЖАР". При наличии высокого потенциального уровня на старшем разряде двоичного счетчика 14 открывается формирователь 5 сигнала регистрации дыма, начинает светиться индикатор 1 и обеспечивается заданное потребление тока от шлейфа пожарной сигнализации, к которому подключен дымовой пожарный извещатель своими входными клеммами 2 и 3. Кроме того, этим сигналом запрещается работа тактового генератора 15. В этом состоянии извещатель будет находиться бесконечно долго. Вывести извещатель из этого состояния возможно только отключением
напряжения питания шлейфа пожарной сигнализации на время, достаточное для разряда накопительного конденсатора 7 до величины, при которой на выходе схемы 17 сброса по напряжению питания установится низкий потенциальный уровень.
При резком увеличении удельной оптической плотности или при тестовой проверке извещателя пробником, когда уровень инфракрасного излучения, поступающего на фотодиод 11 превышает пороговое значение на несколько порядков, первый транзистор 19 усилителя 10 переходит из активного режима работы в насыщение, так как ток коллектора этого транзистора 19 ограничен девятым резистором 31. Отношение сопротивления девятого резистора 31 к сопротивлению пятого резистора 26, а также отношение сопротивления третьего резистора 23 к сопротивлению девятого резистора 31 выбирается не менее, чем 1:5. В этом случае при малых уровнях оптического сигнала введенный девятый резистор 31 практически не влияет на коэффициент усиления усилителем 10. В то же время при значительном уровне освещенности фотодиода 11 первый транзистор 19 находится в состоянии насыщения на протяжении практически всего импульса инфракрасного излучения, так как постоянная времени третьего резистора 23 и второго конденсатора 25 превосходит длительность этого импульса. Такое же соотношение справедливо и для постоянной времени седьмого резистора 28 и третьего конденсатора 29. Второй транзистор 20 также на протяжении всего этого импульса будет находиться в режиме насыщения, а потенциал коллектора этого транзистора 20 будет зависеть от соотношения сопротивлений седьмого резистора 28 к сопротивлению восьмого резистора 29. Так как сопротивление седьмого резистора 28 выбирается значительно меньшим сопротивления шестого резистора 27 и восьмого резистора 29, то сигнал на выходе усилителя 10 при значительном уровне инфракрасного излучения, которое поступает на фотодиод 11 на протяжении длительности всего импульса инфракрасного излучения, будет повторять однократный импульс, поэтому такой же однократный импульс будет наблюдаться и на выходе порогового элемента 18.
Введение девятого резистора 31 позволило стабилизировать работу усилителя 10 особенно при больших уровнях освещенности фотодиода 11, когда на выходе усилителя наблюдается устойчивый сигнал, близкий по форме к перевернутой прямоугольной трапеции. Пороговый элемент 18 обеспечивает формирование на своем выходе одного импульса, соответствующего одному импульсу на третьем выходе тактового генератора 15. А так как импульс на третьем входе схемы 16 сравнения полностью перекрывает импульс на его первом входе, то импульсы сброса двоичного счетчика 14 на его R-вход не поступают. Двоичный счетчик 14 устойчиво досчитывает до изменения состояния на старшем выходе, по которому извещатель переходит в состояние "ПОЖАР".
Предложенный извещатель, как и прототип, может быть изготовлен с применением известных и широко используемых комплектующих изделий: резисторов, конденсаторов, транзисторов, диодов, логических микросхем. Так, двоичный счетчик 14 может быть изготовлен на микросхеме К561ИЕ10 или CD4520, а пороговый элемент 18, тактовый генератор 15 и схема 16 сравнения - на элементах микросхемы К561ТЛ1 или CD4093. Элемент 4 односторонней проводимости может быть изготовлен на диоде КД521В или аналогичном. Токоограничительный элемент 6 может быть изготовлен на униполярном транзисторе, формирователь 5 сигнала регистрации - на транзисторе с большим коэффициентом усиления или на униполярном транзисторе. Схема 17 сброса по напряжению питания может быть изготовлена на специализированной микросхеме, например, МСР102 фирмы MICROCHIP или другим образом.