ИНФРАКРАСНЫЙ ТРЕХСПЕКТРАЛЬНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ ПЛАМЕНИ
THREE-SPECTRUM IR FLAME DETECTOR

Предлагаемый прибор относится к средствам пожарной техники, предназначен для обнаружения очага возгорания, сопровождающегося появлением электромагнитного излучения углеводородного пламени в инфракрасной области спектра и может быть использован как в системах аварийной сигнализации, так и в системах автоматической пожарной защиты. Прибор может устанавливаться как внутри помещений, например в кабельных тоннелях, так и на открытых площадках различных предприятий, преимущественно нефтехимической промышленности, в том числе на резервуарах, насосных и компрессорных станциях магистральных нефте- и газопроводов.
Известны пожарные извещатели (авт. свид. СССР №577552, 628519, 991463; патенты РФ №2029376, 2075782, 2179743, 2217796, 2182366, 2263970, 2289850, 2300807, 2306614; патент США №5004922; патенты Великобритании №1555182, 2263352, 2326474; патент Японии №59-046840 и другие).
Из известных пожарных извещателей наиболее близким к предлагаемому является «Инфракрасный трехспектральный извещатель пламени» (патент РФ №2300807, G08B 17/12, 2005), который и выбран в качестве прототипа.
Указанный извещатель обеспечивает повышение надежности и достоверности обнаружения пламени, повышение помехозащищенности и взрывозащищенности. Это достигается за счет использования принципа спектральной селекции и модулированного сигнала в ограниченной полосе частот, характерной для открытого углеводородного пламени.
Однако известный пожарный извещатель не обеспечивает своевременной передачи сигнала тревоги с удаленных объектов магистральных нефте- и газопроводов на диспетчерский пункт наблюдения.
Технической задачей изобретения является своевременная передача сигнала тревоги с удаленных объектов магистральных нефте- и газопроводов на диспетчерский пункт наблюдения путем использования радиоканала и сложных сигналов с частотной манипуляцией.
Поставленная задача решается тем, что инфракрасный трехспектральный извещатель пламени, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, установленный на кронштейне корпус с окном и размещенный в последнем приемник излучения, соединенный с блоком обработки сигналов, подключенным через электронный ключ и герметичный ввод к системе пожаротушения, при этом корпус выполнен взрывозащищенным и коррозионно-стойким и дополнительно снабжен окном индикаторного светодиода, а окно приемника излучения выполнено сапфировым, приемник излучения выполнен в виде трех фотогальванических приемников, реагирующих на излучение в трех спектральных поддиапазонах, два из которых соответствуют селективным полосам излучения продуктов горения, а третий - эталонный, соответствует излучению основных фоновых помех, блок обработки сигналов состоит из печатной платы с электронными компонентами, составляющими электронную логическую схему, включающую подключенные входами к соответствующему фотогальваническому приемнику три предварительных усилителя, выходы двух из которых подключены к соответствующим знакоразностным сумматорам, а выход третьего - к инвертору, выход которого подключен одновременно к обоим сумматорам, выходы которых через последовательно установленные избирательные усилители и двухполярные детекторы подключены к интегратору, сообщенному с компаратором, соединенным с электронным ключом, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен задающим генератором, генератором псевдослучайной последовательности, частотным манипулятором, усилителем мощности, передающей антенной и диспетчерским пунктом наблюдения, причем к выходу компаратора последовательно подключены задающий генератор, частотный манипулятор, второй вход которого через генератор псевдослучайной последовательности соединен с выходом компаратора, усилитель мощности и передающая антенна, диспетчерский пункт наблюдения выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, первого блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), первого делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, частотного демодулятора, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и блока регистрации, причем к выходу удвоителя фазы последовательно подключены второй блок ФАПЧ, второй делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен с третьим входом частотного демодулятора, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены третий блок ФАПЧ, третий делитель фазы на два, третий узкополосный фильтр и фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора, а выход подключен ко входу гетеродина.
Общий вид инфракрасного трехспектрального извещателя пламени показан на фиг.1. Структурная схема извещателя представлена на фиг.2. Структурная схема дистанционного пункта наблюдения представлена на фиг.3. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, изображены на фиг.4. Взаимное расположение символьных частот сложных ЧМн-сигналов показано на фиг.5.
Инфракрасный трехспектральный извещатель пламени содержит установленный на кронштейне 1 корпус 2 с окном 3 и размещенный в последнем приемник излучения, соединенный с блоком 4 обработки сигналов, подключенным через электронный ключ 5 и герметичный ввод 6 к системе 7 пожаротушения. Корпус 2 выполнен взрывозащищенным и коррозионно-стойким, из алюминиевого сплава, с содержанием магния менее 6%, и коррозионно-стойких и углеродистых сталей. Корпус дополнительно снабжен окном индикаторного светодиода 8. Светодиод 8 расположен на лицевой части извещателя. Окно 3 приемника излучения выполнено сапфировым. Приемник излучения выполнен в виде трех фотогальванических приемников 9, 10, 11, реагирующих на излучение в трех спектральных поддиапазонах, два из которых соответствуют селективным полосам излучения продуктов горения, а третий - эталонный, соответствует излучению основных фоновых помех, при этом блок 4 обработки сигналов состоит из печатной платы с электронными компонентами, составляющими электронную логическую схему, включающую подключенные входами к соответствующему фотогальваническому приемнику 9, 10, 11 три предварительных усилителя 12, 13, 14, выходы двух из которых 12, 13 подключены к соответствующим знакоразностным сумматорам 15, 16, а выход третьего 14 - к инвертору 17, выход которого подключен одновременно к обоим сумматорам 15, 16, выходы которых через последовательно установленные избирательные усилители 18, 19 и двухполярные детекторы 20, 21 подключены к интегратору 22, сообщенному с компаратором 23 с защелкой, соединенным с электронным ключом 5, подключенным в свою очередь к системе 7 пожаротушения. К выходу компаратора 23 последовательно подключены задающий генератор 26, частотный манипулятор 28, второй вход которого через генератор 27 псевдослучайной последовательности соединен с выходом компаратора 23, усилитель 29 мощности и передающая антенна 30.
Диспетчерский пункт наблюдения содержит последовательно включенные приемную антенну 31, усилитель 32 высокой частоты, смеситель 34, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 33, усилитель 35 промежуточной частоты, удвоитель 36 фазы, первый блок 37 фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), первый делитель 40 фазы на два, первый узкополосный фильтр 43, частотный демодулятор 46, второй вход которого соединен с выходом усилителя 35 промежуточной частоты, и блок 47 регистрации. К выходу удвоителя 36 фазы последовательно подключены второй блок 38 ФАПЧ, второй делитель 41 фазы на два и второй узкополосный фильтр 44, выход которого соединен с третьим входом частотного демодулятора 41, к выходу удвоителя 36 фазы последовательно подключены третий блок 39 ФАПЧ, третий делитель 42 фазы на два, третий узкополосный фильтр 45 и фазовый детектор 49, второй вход которого соединен с выходом опорного генератора 48, а выход подключен к входу гетеродина 33.
Подвод электропитания 24 и передача сигнала осуществляются электрическим бронированным кабелем МКЭКШВ 2×2×0.75 через взрывозащищенный кабельный, герметичный ввод 6, изготовленный из материалов, примененных в корпусе, в котором установлена плата 25 искрозащиты, реализующая защиту вида i "искробезопасная электрическая цепь", подключенная к компаратору 23.
При этом фотогальванические приемники 9, 10, 11 установлены на круглой печатной плате.
Инфракрасный трехспектральный извещатель пламени работает круглосуточно совместно с приемно-контрольными пожарными приборами следующим образом.
Корпус 2 извещателя пламени закреплен на кронштейне 1, обеспечивающем ориентацию извещателя в любом требуемом направлении.
В инфракрасном трехспектральном извещателе пламени использован принцип спектральной селекции. В качестве основного оптического элемента применен трехспектральный фотоприемник - быстродействующий фотогальванический приемник 9, 10, 11 излучения, преобразующий электромагнитное излучение пламени и посторонних источников излучения в электрический сигнал. Фотогальванические приемники 9, 10, 11 реагируют в общем случае на электромагнитное излучение в трех спектральных поддиапазонах: 4,35±0,2 мкм, 2,8±0,2 мкм, 3,75±0,2 мкм. Физический сигнал (излучение от внешних источников) поступает на три фотогальванических приемника 9, 10 и 11, предварительно проходя через полосовые фильтры 4,35±0,2 мкм, 2,8±0,2 мкм, 3,75±0,2 мкм. Первые два из них являются характеристическими спектральными линиями горящего углеводородного топлива. Сенсор на 3,75 мкм является опорным и реагирует на фоновые помехи (солнце, искусственные источники излучения, нагревательные приборы, разряды молнии и пр.). Пройдя через предварительные усилители 12, 13 и 14, сигналы поступают на знакоразностные сумматоры 15, 16, настроенные по излучению черного тела, чтобы отсечь неинформативные засветки.
Дальнейшее усиление и формирование полосы пропускания 3…10 Гц осуществляется в избирательных усилителях 2-го порядка 18, 19. Электронные усилители осуществляют усиление только переменной составляющей сигнала излучения, характерной для открытого очага пламени и лежащей в полосе частот 3…10 Гц.
Два двухполярных детектора 20, 21, на которые поступают сигналы с избирательных усилителей 2-го порядка 18, 19, формируют широтно-модулированные сигналы, поступающие через интегратор 22 на компаратор 23 с защелкой.
Срабатывание компаратора 23 включает сигнализирующий светодиод 8 "Пожар" и подгружает шлейф на ток 7,5 мА. Одновременно включаются электронный ключ 5 (для четырехпроводного варианта включения). Сигнал "Пожар" снимается при кратковременном снятии питания (≥2 с).
Электронная логическая схема выделяет и сравнивает сигналы от пламени и фоновых оптических помех и принимает решение о переходе извещателя пламени из дежурного режима в режим "Пожар".
Исполнительная схема в режиме "Пожар" формирует сигнал увеличения тока потребления до 10 мА, с одновременной засветкой светодиода 8 на лицевой части извещателя.
Использование в инфракрасном трехспектральном извещателе пламени принципа спектральной селекции позволяет обеспечить высокую помехозащищенность от высокой фоновой освещенности не менее, например:
- от электролюминесцентных источников - 2500 лк;
- от ламп накаливания - 250 лк,
и от других световых помех: солнце, нагревательные приборы, разряды молнии и пр.
Срабатывание компаратора 23 одновременно включает задающий генератор 26 и генератор 27 псевдослучайной последовательности (ПСП). Задающий генератор 26 формирует высокочастотное колебание
c
c
c
c
c
u(t)=U·Cos(2πft+φ), 0≤t≤T,
c
c
с
c
где U, f, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания;
которое поступает на первый вход частотного манипулятора 28, на второй вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 27 ПСП (фиг.4, а). Модулирующий код M(t) содержит идентификационный номер объекта пожарной безопасности, где установлен пожарный извещатель, его местоположение и другую информацию. На выходе частотного манипулятора 28 образуется сложный сигнал с частотной манипуляцией (ЧМн)
c
c
n
c
1
u'(t)=U·Cos[2πf(t)t+φ], 0≤t≤T,
n
1
2
1
n
э
э
э
где f(t)={f; f} - манипулируемая бинарная составляющая частоты, отображающая закон частотной манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.4, а), при этом f(t)=const при nτ<t<(n+1)τ и может изменяться скачком при t=nτ, т.е. на границах между элементарными посылками (n=1, 2, …, N);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N·τ), который после усиления в усилителе 29 мощности поступает в антенну 30, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 31 диспетчерского пункта наблюдения и через усилитель 32 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 34, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 33
г
г
г
г
u(t)=U·Cos(wt+φ).
На выходе смесителя 34 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 35 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты (фиг.4, б)
up
пр
upn
up
c
u(t)=U·Cos[2πf(t)t+φ], 0≤t≤T,
upn
n
г
где f(t)=f(t)-f - промежуточная частота;
;
up
с
г
φ=φ-φ.
В спектре данного сигнала с непрерывной фазой и индексом частотной манипуляции
2
1
э
m=(f-f)·τ=0,5
1
2
символьные частоты f и f подавлены. Указанные символьные частоты определяются следующим образом (фиг.5):
- частота сигнала, соответствующая символу «+1»;
- частота сигнала, соответствующая символу «-1»;
- средняя («мнимая») частота сигнала.
1
2
cp
up
Так как в спектре принимаемого сложного ЧМн-сигнала символьные частоты f и f подавлены, то приемник осуществляет слежение за средней («мнимой») частотой f=f (фиг.4, д).
up
После преобразования по частоте напряжение u(t) (фиг.4, б) с выхода усилителя 35 промежуточной частоты поступает на первый вход частотного демодулятора 41 и вход удвоителя 36 фазы.
1
2
3
При удвоении фазы принимаемый сложный ЧМн-сигнал приобретает индекс частотной манипуляции m=1 и его сплошной спектр трансформируется в три дискретные составляющие на частотах 2f, 2f и 2f. С помощью блоков ФАПЧ 37, 38 и 39 осуществляется фильтрация дискретных составляющих и слежение за ними, а делители 40, 41 и 42 фазы на два обеспечивают соответствие частот сигналов синхронизации и принимаемого ЧМн-сигнала. На выходах делителей 40, 41 и 42 фазы на два образуются гармонические колебания (фиг.4, в, г, д):
1
1
1
1
u(t)=U·Cos(2πft+φ),
2
2
2
2
u(t)=U·Cos(2πft+φ),
3
3
3
3
c
u(t)=U·Cos(2πft+φ), 0≤t≤T,
1
2
up
которые выделяются узкополосными фильтрами 43, 44 и 45 соответственно. Гармонические колебания u(t) и u(t) с выходов узкополосных фильтров 43, 44 поступают на опорные входы частотного демодулятора 46, на информационный вход которого подается напряжение u(t) с выхода усилителя 35 промежуточной частоты.
н
В результате синхронного детектирования на выходе частотного демодулятора 46 образуется низкочастотное напряжение u(t) (фиг.4, е), пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.4, а), которое фиксируется блоком 47 регистрации.
1
2
0
cp
3
Для обеспечения симметричности символьных частот f и f относительно частоты f=f=f опорного генератора 48 используется система фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), состоящая из опорного генератора 48, фазового детектора 49 и узкополосного фильтра 45.
Напряжение опорного генератора 48
0
0
0
0
u(t)=U·Cos(2πft+φ)
и гармоническое колебание
3
3
3
3
c
u(t)=U·Cos(2πft+φ), 0≤t≤T
up
3
ср
0
г
0
1
2
0
up
с выхода узкополосного фильтра 45 поступают на два входа фазового детектора 49 и сравниваются по фазе. Если указанные напряжения отличаются друг от друга по фазе, то на выходе фазового детектора 49 образуется управляющее напряжение. Причем амплитуда и полярность этого напряжения зависят от степени и направления отклонения промежуточной частоты f=f= от частоты f опорного генератора 48. Данное напряжение поступает на управляющий вход гетеродина 33, воздействует на его частоту f так, чтобы сохранялась симметричность частоты f опорного генератора 48 относительно символьных частот f и f(f=f).
Таким образом, предлагаемый пожарный извещатель по сравнению с прототипом обеспечивает своевременную передачу сигнала тревоги с удаленных объектов, магистральных нефте- и газопроводов на диспетчерский пункт наблюдения, где принимаются срочные меры по ликвидации очагов возгорания. Это достигается использованием радиоканала и сложных сигналов с частотной манипуляцией, которые открывают новые возможности в технике передачи сообщений. Указанные сигналы позволяют применить перспективный вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность обнаруживать (селектировать) сложные ЧМн-сигналы среди других сигналов и помех.
С точки зрения обнаружения сложные ЧМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность данных сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени или по спектру при оптимальной обработке, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ЧМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскированным шумами и помехами. Причем энергия сложного ЧМн-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 ЧМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ЧМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемника.