ИЗВЕЩАТЕЛЬ ПОЖАРА

Полезная модель относится к устройствам пожарной сигнализации, выдающим сигнал тревоги «пожар» при появлении температуры свыше допустимой в защищаемом помещении.
В настоящее время применяются пожарные извещатели, обнаруживающие пожар по различным факторам (признакам) пожара. Для большей достоверности обнаружения пожара используются комбинированные извещатели, например, тепло световые (А.с. СССР №1247912, МКИ G 08 В 17/10 "Датчик пожара", Б.И, 1986, №28 - [1]).
Чувствительный элемент этого датчика выполнен из термочувствительного материала, обладающего эффектом памяти формы. Датчик срабатывает на действие одновременно двух факторов пожара:
повышенную температуру и излучение, а после ликвидации пожара датчик автоматически возвращается в исходное состояние.
Сигнал о наличии пожара передается на пульт пожарной сигнализации по двум проводам.
В качестве прототипа принят извещатель, выдающий сигнал тревоги «пожар» при появлении дыма в защищаемом помещении (А.с. СССР №1711211, МКИ G 08 B 17/10, "Линейный дымовой пожарный извещатель", Б.И., 1992, №5 - [2]).
Этот извещатель содержит излучатель, оптически связанный с фотоприемником, и электронный блок обработки принятых сигналов с фотоприемника. Излучатель и фотоприемник с электронным блоком разнесены между собой на некоторое расстояние и контролируют наличие дыма в пространстве между ними, для чего между последними формируется оптический инфракрасный луч.
Электронный блок включает элементы канала «дым» и элементы канала «неисправность», причем элементы первого канала имеют меньший
коэффициент передачи и большее время задержки. На этом основано разделение сигналов «дым» и «неисправность».
По степени ослабления инфракрасного луча определяется наличие дыма в помещении. В случаях полного перекрытия инфракрасного луча непрозрачным объектом или выхода из строя отдельных блоков извещатель выдает сигнал «неисправность». Питание извещателя, а также выдача им извещений «пожар» и «неисправность» осуществляются по одной двухпроводной линии, подключенной к пульту пожарной сигнализации.
К недостаткам рассматриваемого прототипа можно отнести: один контролируемый фактор пожара - дым; наличие двух проводов, соединяющих излучатель с электронным блоком, длиной, равной длине контролируемого пространства; некоторую сложность структурной схемы и ее принципа действия.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении достоверности наличия пожара путем введения второго контролируемого фактора пожара «повышенная температура», сигнал о которой передается на электронный блок дистанционно беспроводной (оптической) связью.
Технический результат достигается тем, что в извещателе пожара, содержащем оптически связанные излучатель и фотоприемник, электронный блок обработки сигналов, включающем элементы канала «дым» и элементы канала «неисправность», причем элементы первого канала имеют меньший коэффициент передачи и большее время задержки, новым является то, что между излучателем и двумя фотоприемниками введен оптически связанный с ними оптический датчик, за которым перед фотоприемниками установлены анализаторы потока излучения, при этом выход первого фотоприемника через усилитель подключен на вход RS - триггера, выход которого является выходом канала «повышенная температура», а выход второго фотоприемника через второй усилитель подключен к каналам «дым» и «неисправность», каждый из которых состоит из последовательно
соединенных порогового блока и блока селекции, выходы которых являются выходами по сигналам «дым» и «неисправность», при этом выход канала «неисправность» соединен со вторым входом блока селекции канала «дым».
Оптический датчик изготовлен из трехгранного уголкового отражателя разделенного на две симметричных половины относительно вертикальной плоскости, являющейся плоскостью симметрии, со свободным пространством, в котором расположен поляризатор потока излучения, плоскость поляризации которого вертикальна, и подвешен в двух диаметрально противоположных точках на двух дугообразных в плоскости симметрии держателях, изготовленных из термочувствительного материала, обладающего эффектом памяти формы.
Плоскость поляризации первого анализатора горизонтальная, а второго - вертикальная. Анализаторы и фотоприемники расположены рядом с излучателем, и их оптические оси параллельны плоскости симметрии оптического датчика, удаленного от первых на некоторого расстояние.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1-фиг.7, где
Фиг.1 - структурная схема извещателя пожара;
Фиг.2 - конструкция оптического датчика (вид спереди) без держателей;
Фиг.3 - конструкция оптического датчика (вид слева) с держателями;
Фиг.4 - электрическая схема включения RS-триггера;
Фиг.5 - электрическая схема подключения фотоприемников к усилителям;
Фиг.6 - электрическая схема каналов «дым» и «неисправность».
Фиг.7 -расположение плоскостей поляризации.
Здесь:
1 - излучатель;
2 - оптический датчик;
3-4'-4"-5 - трехгранный уголковый отражатель;
3 - левая грань;
4' - левая половина нижней грани;
4" - правая половина нижней грани;
5 - правая грань;
6 - поляризатор;
7 - держатели поляризаторов;
8 - неподвижное основание;
9, 10 - анализаторы;
11, 12 - фотоприемники со своими усилителями;
13 - первый усилитель;
14 - второй усилитель;
15 - RS-триггер;
16, 17 - первый и второй пороговые блоки;
18, 19 - первый и второй блоки селекции.
Излучатель 1 представляет собой, например, излучающий диод, перед которым впереди расположена собирающая линза для создания узкой диаграммы направленности потока излучения. Для уменьшения оптических помех спектр излучения излучателей выбирается в инфракрасном (ИК) диапазоне спектра и должен испускать неполяризованное излучение.
Оптический датчик 2 состоит из уголкового отражателя 3-4-5; при этом каждая грань представляет собой плоское зеркало треугольной формы или выполнена в форме четверти окружности.
Как известно из литературы (Оптико-электронные приборы космических аппаратов /Изнар А.Н., Павлов А.В., Федоров Б.Ф. М.: Машиностроение, 1972. 368 с. - [3]), трехгранный уголковый отражатель, выполненный в виде тетраэдра, отражает падающий поток в направлении противоположном направлению падения. Размеры отражателя рассчитываются [3], исходя из дальности действия извещателя, а его пространственное расположение должно быть таково, чтобы все три внутренние зеркальные поверхности были обращены к падающему потоку излучения.
Кроме того, в рассматриваемом извещателе линия пересечения плоскостей граней 3 и 5 должна располагаться в вертикальной плоскости.
Нижняя грань 4 состоит из двух симметричных половин 4' (левой) и 4" (правой), между которыми должно быть свободное пространство. Между гранями 3 и 5 также должно быть свободное пространство, в котором должен располагаться плоский поляризатор 6 с возможностью вращения вокруг оси, перпендикулярной его плоскости.
Фотоприемники 11 и 12 например, фотодиоды должны работать в том же спектральном диапазоне, что и излучатель 1.
Выходные сигналы с фотоприемников обычно малы, поэтому после них всегда ставятся усилители 13 и 14. А для увеличения потока излучения, падающего на фотоприемники, перед ними располагаются объективы, которые на фиг.1 не показаны, ибо они не влияют на принцип действия извещателя.
Анализаторы 9 и 10 могут располагаться как до объективов, так и после них.
Известно (Гвоздева Н.П. и др. Физическая оптика: Учебник для учащихся средних специальных заведений / Н.П.Гвоздева, В.И.Кульянова, Т.М.Леушина. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1991. 304 с. - [4]), что при направлении на анализатор поляризованного в вертикальной плоскости света, сила света, прошедшего через анализатор, определяется формулой
0
где I - сила падающего света, φ - угол между плоскостью поляризации анализатора и вертикальной плоскостью.
Анализатор 9 (точнее плоскость его поляризации) располагается под углом φ=90° относительно вертикальной плоскости, а анализатор 10 - под углом φ=0°, то есть анализаторы 9 и 10 скрещены [4].
Излучатель 1 и фотоприемники 11 и 12 расположены рядом, а их продольные (оптические) оси параллельны и направлены на оптический датчик 2, расположенный от них на расстоянии в десятки - сотни метров.
Поляризатор 6 располагается в вертикальной плоскости симметрии (П.С.) уголкового отражения 3-4'-4"-5.
1
2
Поляризатор 6 имеет вертикальную плоскость поляризации и закреплен в двух диаметрально расположенных точках К и К, с помощью двух дугообразных держателей 7. Другие концы держателей 7 жестко защемлены в основании 8 (фиг.3). Эти держатели 7 изготовлены из термочувствительного материала, обладающего эффектом памяти формы.
Таким образом, держатели 7 прямоугольного сечения являются чувствительным элементом к повышенной температуре, являющейся фактором пожара, как у аналога [1].
Первый пороговый блок 16 срабатывает на определенный уровень выходного сигнала с усилителя 14.
18
18
18
Первый блок селекции 18 не должен срабатывать (реагировать) на исчезновение сигнала с порогового блока 16 в течение определенного интервала времени τ (длительность помехи). Например, τ=1-2 с. Это время уменьшения прозрачности атмосферы (контролируемого пространства между излучателем 1 и фотоприемниками 11 и 12) вследствие каких-либо причин. Если же снижение прозрачности наблюдается в течение времени t>τ то это фиксируется как наличие дыма, то есть появляется сигнал «дым» на выходе «Д» блока 18.
Второй пороговый блок 17 срабатывает на полное исчезновение сигнала с фотоприемника 12, которое вызывается исчезновением оптического ИК-луча.
19
19
18
19
Второй блок селекции 19 не должен реагировать на исчезновение сигнала с порогового блока 17 в течение определенного интервала времени τ (длительность помехи), например, τ<τ. Это время перекрытия оптического луча движущимся человеком или непрозрачным элементом какого-либо устройства в цехе; это может быть вызвано также временным отказом излучателя 1 или фотоприемников 11 и 12. В случае полного пропадания сигнала с фотоприемников 11 и 12 в течение времени t>τ, то
это фиксируется как неисправность оптической линии связи, вследствие чего появляется сигнал «неисправность» на выходе «Н» блока 19.
n
RS-триггер 15 является элементом памяти, который при подаче питания U на извещатель устанавливается в исходное состояние. При появлении сигнала на его информационном входе S (хотя бы кратковременно) на его выходе устанавливается логический нуль (фиг.4).
Выход RS-триггера является выходом «Т» устройства, означающим наличие повышенной температуры.
Работу извещателя рассмотрим на функциональной схеме (фиг.1) и на примере разработанной принципиальной схеме полезной модели, составленной на основе широко известного устройства «ИК датчик в охранной сигнализации» (Виноградов Ю.А. Электронная охрана. Элементы и узлы охранных систем. М.: Символ - Р, 1996. 96 с. - [5]; Виноградов Ю.А. ИК-датчик в охранной сигнализации. Радио. 1996. №7. С.42-44 - [6]). Схема устройства, взятого за основу, состояла из фотодиода VD, электрической схемы (представляющей модификацию фоточувствительной головки ПИ-5) А1, и схемы на логических элементах. На фиг.5 представлена электрическая схема соединений фотоприемников 11 и 12 со своими одинаковыми усилителями A1, (13 и 14).
На фиг.6 представлена принципиальная электрическая схема блоков пороговых и блоков селекции, где роль первого порогового блока 16 выполняет элемент DD 1.2 с возможностью регулировки (увеличения) порога срабатывания потенциометром RP2. Роль второго порогового блока 17 выполняет элемент DD1.3.
n
Элементы DD1.2 и DD1.3 являются инверторами (логические элементы НЕ), в частности для микросхем типа К561ЛН2 при напряжении питания U=9 В порог срабатывания составляет около 3,2 В.
Роль первого блока селекции 18 выполняет счетчик DD3 и мультивибратор (DD2.1 и DD2.2).
Роль второго блока селекции 19 выполняет счетчик DD4 и мультивибратор (DD 1.1 и DD 1.4).
Оба мультивибратора вырабатывают импульсы с одинаковой частотой порядка f≈10 Гц, вследствие чего период одного импульса составляет Т≈0,1 с.
С этой же частотой f излучатель 1 посылает импульсы потока излучения. Диоды VD1 и VD2 являются разделительными.
Схема А1 является усилителем (фиг.5). При поступлении оптического сигнала (кратковременный импульс потока излучения) на фотодиоды VD (11 и 12), усилители А1 вырабатывают сигналы, близкие к нулю [5, 6], то есть транзистор VT5 открыт.
При отсутствии дыма на фотодиоды приходят большие оптические сигналы, и последний каскад усилителя (транзистор VT5) входит в насыщение, вследствие чего потенциал в точке «В» близок к нулю, то есть усилитель работает в режиме ограничения сигнала.
п
При перекрытии оптического канала (то есть при отсутствии оптических сигналов на фотодиодах), транзистор VT5 закрыт и потенциал в точке «В» близок к напряжению источника питания U.
Таким образом, происходит надежное переключение элементов DD1.3 и DD1.2, выполняющих роль пороговых блоков 16 и 17.
Рассмотрим работу извещателя в дежурном режиме. Излучатель 1 посылает кратковременные импульсы потока излучения на оптический датчик 2. Лучи, падающие на уголковый отражатель 3-4'-4"-5, трижды отражаясь от граней 3, 4, 5, возвращаются в обратном направлении. При отражении лучей потока излучения внутри уголкового отражателя они один раз проходят через поляризатор 6. С учетом того, что отражатель 3-4'-4"-5 симметричен относительно плоскости симметрии (П.С.), все лучи потока излучения выходят поляризованными в вертикальной плоскости. Этот отраженный поток облучает анализаторы 9 и 10. Так как анализатор 9 расположен над углом 90°, то согласно (1) через него не проходит поток
п
излучения, следовательно выходной сигнал с фотодиода 11 равен нулю. В этом случае с усилителя 13 поступает на вход инвертора DD (фиг.4) напряжение U. При этом на выходе логического элемента HЕ будет присутствовать логический нуль, а при нулевом входном сигнале RS-триггера (фиг.4) на его инвертирующем выходе «Т» будет присутствовать логическая единица, которая информирует об отсутствии повышенной температуры.
14
Плоскость поляризации анализатора 10 совпадает с плоскостью поляризации приходящего потока излучения с датчика 2, поэтому через анализатор 10 проходит поток излучения. Согласно ранее описанного принципа действия электронной схемы, на фотоприемники поступают импульсы потока излучения, вследствие чего с усилителя 14 (с точки В) выходят импульсы напряжения. В дальнейшем эти импульсы напряжения U поступают на пороговые блоки 16 и 17 (DD1.2 и DD1.3) (фиг.6). Работа одного порогового блока, одного счетчика и одного мультивибратора описана в [5, 6], а принцип действия разработанной схемы (фиг.6) виден из электрической схемы и заключается в следующем. Элементы DD1.2 и DD1.3 постоянно переключается синхронно с поступающими оптическими импульсами потока излучения. От выходных импульсов с этих элементов счетчики DD3 и DD4 постоянно обнуляются с частотой f=10 Гц; на их выходах «16» и «8» будут присутствовать логические нули, а после следующих элементов DD2.3 и DD2.4 на выходах "Д" и "Н" - логические единицы. Эта информация означает отсутствие дыма и неисправностей.
При появлении дыма оптическая прозрачность среды, заключенной между оптическим датчиком 2 и фотоприемниками 11 и 12, и находящимся рядом с ними излучателем 1, уменьшается. Вследствие этого падающий поток на фотодиод VD12 также уменьшается. Транзистор VT5 усилителя 14 уже не будет входить в режим насыщения (будет в активном режиме), вследствие чего пороговый блок 16 (DD1.2), у которого большой порог срабатывания (так как его чувствительность снижена с помощью потенциометра RP2), уже
18
не сможет переключаться, и на его выходе будет присутствовать логический нуль. Следовательно, счетчик DD3 блока селекции 18 не будет обнуляться. Если наличие дыма будет продолжаться в течение времени более t>τ, в счетчик от мультивибратора (DD2.1; DD2.2) войдет через время 0,1*16=1,6 с 16 импульсов. После шестнадцатого импульса с выхода «16» счетчика DD3 выходит логическая единица, а с выхода элемента DD2.3 - логический нуль. Этот нулевой сигнал через диод VD3 останавливает мультивибратор (DD2.1; DD2.2) и фиксирует на выходе «Д» информацию «Дым».
n
В случае перекрытия оптического луча между датчиком 2 и фотоприемниками 11 и 12 непрозрачным предметом потенциалы в точках «В» усилителей А1 будут равны U. В этом случае пороговый блок 17 (хотя он более чувствительный) также не будет переключаться, как и блок 16.
По аналогии с предыдущим после восьмого импульса поступившего с мультивибратора (DD1.1; DD1.4) на счетчик DD4 через время 0,1*8=0,8 с на выходе «Н» сформируется логический нуль, что информирует о неисправности оптического канала.
Как следует из логики работы двоичных счетчиков, после следующих восьми импульсов на выходе «8» счетчика DD4 появится логический нуль. То есть на выходе «Н» будет присутствовать последовательность импульсов длительностью по 0,8 с и с паузой 0,8 с.
При перекрытии оптического канала элемент DD1.2 также не будет переключаться и на счетчик DD3 не будут поступать импульсы для его обнуления, а на его информационный вход будут поступать импульсы с мультивибратора (DD2.1; DD2.2). Но чтобы не было ложного сигнала «дым», то есть, чтобы не сработал счетчик DD3 после шестнадцатого импульса, теперь он будет обнуляться импульсами с выхода «2» счетчика DD4.
18
19
В зависимости от условий применения извещателя времена задержки τ и τ можно устанавливать различными путем подсоединения логических элементов DD2.3 и DD2.4 к различным выходам счетчиков DD3 и DD4.
После исчезновения дыма или непрозрачных предметов сигналы «Д≫ и «Н» снимаются и извещатель переходит в исходный дежурный режим.
'
'
1
2
n
п
n
Рассмотрим работу извещателя при повышенной температуре. Известно [1], что при определенной повышенной температуре детали, изготовленные из термочувствительного материала с памятью формы, приобретают форму, которая была им придана при этой повышенной температуре. В данном случае держатели 7 разгибаются и их концы перемещаются в точки К  и К . При этом поляризатор 6 повернется по часовой стрелке (фиг.3) на некоторый угол φ (допустим φ≈10°). Следовательно, на этот же угол поворачивается плоскость поляризации поляризатора, вследствие чего из оптического датчика 2 выходит два потока излучения с повернутой плоскостью поляризации на угол φ относительно вертикальной плоскости (фиг.7).
п
л
На фиг.7 изображено расположение плоскостей поляризации: 9 - для анализатора 9, 10 - для анализатора 10, Ф - плоскость поляризации потока излучения вошедшего в правую половину уголкового отражателя (фиг.2) и вышедшего из левой половины; Ф - плоскость поляризации потока излучения вошедшего в левую половину уголкового отражателя и вышедшего из правой половины.
п
Ввиду того, что cosφ≈cos10° близок к единице, то через анализатор 10 проходит согласно выражению (1) поток излучения немного уменьшенный по величине, то есть каналы «дым» и «неисправность» продолжают работать в прежнем режиме.
п
л
2
2
Теперь, как следует из фиг.7, будет частично проходить поток излучения через анализатор 9 согласно формулы (1) Фcоs(-80°)+Фcos(80°). На выходе усилителя 13 появятся импульсы напряжения, которые через инвертор DD (фиг.4) поступят на информационный вход S RS-триггера 15.
Логический нуль на инверсном выходе RS-триггера «Т» информирует о наличии повышенной температуры возле оптического датчика 2.
Особенностью этого информационного канала является то, что при снижении температуры (а, следовательно, при возвращении поляризатора 6 в исходное состояние) информация на выходе «Т» остается прежней (логический нуль).
Для сброса информации с RS-триггера 15 необходимо на несколько секунд отключить питание на RS-триггер. Таким образом, можно проверить случайное срабатывание канала «Т» от какой-либо помехи.
Если было случайное срабатывание канала «Т», то информация «температура» снимается.
Из принципа действия анализатора следует, что перекрытие анализатора 10 в течение времени t<0,8 с не приводит к срабатыванию канала «неисправность». Перекрытие анализатора 10 в течение времени t>1,6 с должно приводить к срабатыванию канала «неисправность», а после устранения перекрытия извещатель должен переходить в нормальный дежурный режим.
Чувствительность канала «дым» может проверяться с помощью специальных оптических фильтров, коэффициенты прозрачности которых зависят от параметров оптического канала конкретного извещателя.
Таким образом, предложенная полезная модель извещателя пожара дает более достоверную информацию о наличии пожара, так как им контролируется два фактора пожара: дым и повышенная температура.
Извещатель пожара может быть использован в местах, где применение проводов по каким-либо причинам нецелесообразно, так как контроль температуры и наличие дыма в контролируемой зоне ведется беспроводным способом.