СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА ИЛИ ПЕРЕГРЕВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR FIRE OR OVERHEAT DETECTION, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области пожарной безопасности, а именно к способам и устройствам обнаружения пожара или перегрева, возникающих на различных технических объектах, где существует риск возникновения пожара или перегрева и предназначено для автоматической сигнализации о пожаре или перегреве, например, в отсеках воздушно-транспортных средств, морских судов, промышленных установок, на железнодорожном транспорте и других объектах.
Известно устройство сигнализации о пожаре, содержащее чувствительно-усилительный контур, состоящий из термодатчика, реле, подстроечного резистора и резистора контроля, которое через резисторы делителя напряжения и выключатель подключено к источнику питания, сигнальный элемент подключен к источнику питания через нормально разомкнутый контакт реле, при этом дополнительная обмотка подключена через подстроечный резистор к стабилизированному источнику питания в противоположной полярности по отношению к термодатчику [Патент РФ №2024947, опубликовано 15.12.1994].
Недостатком такого устройства сигнализации о пожаре следует считать низкую помехоустойчивость и ограниченную зону контроля термодатчика.
Известна шестиканальная система сигнализации о пожаре, включающая исполнительный блок и соединенные с ним шесть групп датчиков - по три последовательно соединенных датчика в группе, выдающих сигналы на исполнительные устройства. Принцип работы такой системы основан на измерении температуры и скорости ее изменения с помощью точечных датчиков с термоэлектрическим чувствительным элементом [ВЕРТОЛЕТ Ми-171. РУКОВОДСТВО ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ. КНИГА III. Часть 1. ВЕРТОЛЕТНЫЕ СИСТЕМЫ. Раздел 026, 1995 г].
Однако данная система сигнализации о пожаре также обладает низкой помехоустойчивостью и ограниченной зоной контроля.
Известен датчик пожарной сигнализации, состоящий из пневмореле, соединенный с сенсорной трубкой и выполненный в виде одной или более камеры, перекрытой диафрагмой и с электродом, расположенным напротив нее, при этом гибкая диафрагма способна под действием изменения давления в трубке контактировать с электродом и прерывать контакт [Патент РФ №2438184, опубликовано 27.12.2011].
Недостатком указанного датчика пожарной сигнализации является большая тепловая инерционность, наличие подвижных частей в датчике и низкая контролепригодность.
Также известен пневматический датчик давления с чувствительной трубкой, находящейся под давлением газа, используемый в системах пожарной сигнализации, состоящий из камеры повышенного давления, расположенной между парой деформируемых диафрагм, и находящийся под давлением капиллярного датчика с поглощенным газом. Электронная система управления расположена отдельно от датчика давления и соединяется с ним единственным проводом. Контур содержит также заземление электронной системы управления и датчика [Патент США №5691702, опубликовано 25.11.1997].
Однако известный пневматический датчик пожарной сигнализации также обладает большой тепловой инерционностью и низкой контролепригодностью.
Известна система обнаружения пожара на воздушных судах, содержащая два (основной и резервный) блока обнаружения пожара и набор пневматических датчиков пожара, соединенных параллельно с блоками обнаружения. Датчики могут находиться в одном из трех состояний: нормальном, неисправном и в состоянии, когда обнаружен пожар. Введение в систему дополнительных связей позволяет выявлять конкретный датчик, обнаруживший пожар. [Патент США №8094030, опубликовано 10.01.2012].
Недостатком такой системы обнаружения пожара также являются большая тепловая инерционность, наличие подвижных частей в пневматическом датчике и низкая контролепригодность.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является система обнаружения пожара или перегрева, принятая за прототип, включающая датчик, с двумя чувствительными элементами (терморезистивным и термисторным), первый из которых выполнен из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, а второй - из материала с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления и устройство, подключенное к датчику. Способ, реализованный в данной системе, принятый за прототип, позволяет выявить такие неисправности датчика как обрыв, короткое замыкание, а также определить по сопротивлениям двух чувствительных элементов среднюю температуру в контролируемой зоне и размер зоны датчика, подвергшейся локальному воздействию повышенной температуры и оценить динамические изменения измеряемых параметров [Патент США №7098797, опубликовано 29.08.2006].
Недостатком этих способа и системы обнаружения пожара является использование датчика, который имеет значительную тепловую инерционность и требует установки отдельного датчика для каждого канала в системе с резервированием. Кроме того, на точность измерения средней температуры в такой системе влияет разброс характеристик и нестабильность термисторного чувствительного элемента, а также повышенный уровень помех, связанный с необходимостью измерения сопротивлений чувствительных элементов с использованием внешней оболочки датчика.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение точности измерения средней температуры и скорости ее нарастания в контролируемой зоне, повышение помехозащищенности и быстродействия устройства обнаружения пожара или перегрева, а также уменьшение его массы и габаритов.
Поставленная задача решается способом обнаружения пожара или перегрева заключающимся в том, что получают данные о температуре от линейных датчиков пожара, контролируют исправность линейных датчиков пожара, формируют сигналы о пожаре или перегреве в случае исправности линейных датчиков пожара и превышения данными о температуре этих линейных датчиков пожара предварительно заданных пороговых значений, которые свидетельствуют о наличии пожара или перегрева и корректируют заданные пороговые значения при изменении режимов работы объекта контроля, в том числе в системе с резервированием, при этом после контроля исправности линейных датчиков пожара сохраняют полученные данные о температуре за заданный интервал времени и вычисляют по сохраненному массиву данных о температуре скорость изменения температуры, причем длительность заданного интервала времени определяют исходя из допустимого времени для обнаружения пожара.
Новым в заявляемом изобретении является то, что после контроля исправности линейных датчиков пожара сохраняют полученные данные о температуре за заданный интервал времени и вычисляют по сохраненному массиву данных о температуре скорость изменения температуры, при этом при вычислении скорости изменения температуры, в отличие от известных технических решений, вместо измерений по двум значениям температуры используется массив данных о температуре, сохраненных за интервал времени, длительность которого определяют исходя из допустимого времени для обнаружения пожара. Это предотвращает возможность формирования ложных сигналов о пожаре и повышает точность вычисления скорости изменения температуры в контролируемой зоне.
Поставленная задача решается устройством обнаружения пожара или перегрева, содержащим линейные датчики пожара, состоящие из рабочей и монтажной частей, при этом рабочая часть выполнена в виде длинной тонкостенной гибкой металлической оболочки, в которой размещены два чувствительных элемента, подключенные к блоку противопожарной защиты, содержащему основной и резервный каналы, при этом каждый из каналов включает последовательно соединенные модуль аналого-цифровых преобразователей, на вход которого подключены линейные датчики пожара, модуль вычислителя с цифровыми интерфейсами, один из которых используется для связи с резервным каналом, а второй - для связи с объектом контроля и релейный модуль, при этом в каждый из каналов блока противопожарной защиты включен дополнительный модуль, предназначенный для вычисления скорости изменения температуры и соединенный с модулем вычислителя, чувствительные элементы выполнены однотипными терморезистивными, каждый из которых представляет собой две одинаковые параллельно расположенные вдоль оболочки нитевидные токопроводящие жилы, выполненные из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры, соединенные между собой у одного конца оболочки сваркой и изолированные друг от друга, от оболочки и от второго чувствительного терморезистивного элемента теплопроводным изолирующим материалом, к оболочке со стороны соединения токопроводящих жил, герметично приварена металлическая заглушка, а с другой стороны, где за пределы оболочки выступают свободные концы токопроводящих жил для подключения к внешней электрической цепи блока противопожарной защиты, оболочка загерметизирована высокотемпературным клеем или герметиком.
Новым в заявляемом изобретении является то, что в каждый из каналов блока противопожарной защиты включен дополнительный модуль, предназначенный для вычисления скорости изменения температуры и соединенный с модулем вычислителя, реализующий помехозащищенные вычислительные алгоритмы. Также новым в заявляемом изобретении является то, что чувствительные элементы выполнены однотипными терморезистивными, каждый из которых представляет собой две одинаковые параллельно расположенные вдоль оболочки нитевидные токопроводящие жилы, выполненные из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры, соединенные между собой у одного конца оболочки сваркой и изолированные друг от друга, от оболочки и от второго чувствительного терморезистивного элемента теплопроводным изолирующим материалом, к оболочке, со стороны соединения токопроводящих жил, герметично приварена металлическая заглушка, а с другой стороны, где за пределы оболочки выступают свободные концы токопроводящих жил для подключения к внешней электрической цепи блока противопожарной защиты, оболочка загерметизирована высокотемпературным клеем или герметиком, что позволяет создать более компактную и помехозащищенную конструкцию линейного датчика пожара и повысить его точность и быстродействие.
На фиг. 1 представлена схема устройства обнаружения пожара или перегрева. На фиг. 2 представлен разрез фрагмента линейного датчика пожара. На фиг. 3 разрез А-А фиг. 2. На фиг. 4 приведен график, поясняющий алгоритм вычисления скорости изменения температуры.
Способ обнаружения пожара или перегрева осуществляют следующим образом.
Получают данные о температуре от линейных датчиков пожара, контролируют исправность линейных датчиков пожара и формируют сигналы о пожаре или перегреве в случае исправности линейных датчиков пожара и превышения данными о температуре этих линейных датчиков пожара предварительно заданных пороговых значений, свидетельствующих о наличии пожара или перегрева и корректируют заданные пороговые значения при изменении режимов работы объекта контроля, в том числе в системе с резервированием, при этом после контроля исправности линейных датчиков пожара сохраняют полученные данные о температуре за заданный интервал времени и вычисляют скорость изменения температуры. При вычислении скорости изменения температуры используется массив данных о температуре, сохраненных за интервал времени, длительность которого определяется допустимым временем для обнаружения пожара. Также важным является возможность коррекции пороговых значений для средней температуры и скорости ее нарастания по дополнительной информации от датчиков, характеризующих режимы работы объекта контроля. Такая коррекция позволит за счет снижения порогов для средней температуры на более низких режимах работы объекта контроля повысить скорость обнаружения пожара и уменьшить вероятность ложных срабатываний за счет повышения порогов для скорости нарастания температуры на переходных режимах работы объекта контроля. При обнаружении неисправности в одном из каналов резервированной системы, в исправном канале, для уменьшения вероятности ложных срабатываний, повышают уровни пороговых значений для средней температуры и скорости нарастания температуры. При резком повышении температуры, вызванном изменением режима работы объекта контроля, когда отсутствует дополнительная информация об этих режимах, повышают пороговое значение только для скорости нарастания температуры на время действия переходного процесса, сопровождаемого изменением температуры. В качестве признака, характеризующего начало и окончание переходного процесса, используется косвенный параметр - одновременное изменение данных о температуре всех линейных датчиков пожара, установленных в контролируемой зоне.
Устройство для осуществления способа обнаружения пожара или перегрева содержит линейные датчики пожара 1 (их количество может быть от 1 до N), состоящие из рабочей 2 и монтажной 3 частей, при этом рабочая часть выполнена в виде длинной тонкостенной гибкой металлической оболочки 4 из высокотемпературного сплава, например, из сплава ХН78Т толщиной 0,2 мм, в которой размещены два чувствительных терморезистивных элемента 5, выполненные, например, из сплава Н50К10 или никеля, подключенные к блоку противопожарной защиты 6, содержащему основной канал 7, элементы которого имеют дополнительный индекс "А" и резервный канал 8, элементы которого имеют дополнительный индекс "В". Один из чувствительных терморезистивных элементов каждого линейного датчика пожара подключен к основному каналу 7, а второй, изолированный от него чувствительный терморезистивный элемент - к резервному каналу 8. Оболочка каждого линейного датчика пожара изолирована от чувствительных терморезистивных элементов и соединена с корпусом блока противопожарной защиты 6 и корпусом объекта контроля. Внутри основного канала 7 установлены модули: модуль аналого-цифровых преобразователей 9, на вход которого подключены линейные датчики пожара, модуль вычислителя 10 с цифровыми интерфейсами, который связан с модулем вычислителя резервного канала 8 и с системами объекта контроля, релейный модуль 11 и дополнительный модуль 12.
Для реализации модуля вычислителя 10 используются микроконтроллеры, с разрядностью шестнадцать или тридцать два, имеющие достаточный объем внутренней памяти и обладающие высоким быстродействием, что позволяет реализовать на программном уровне все алгоритмы функционирования устройства. Дополнительный модуль 12 для вычисления скорости изменения температуры может быть реализован на отдельном микроконтроллере, в этом случае данные о температуре поступают в него от модуля вычислителя 10, либо может быть реализован на программном уровне, в составе модуля вычислителя 10.
Чувствительные элементы выполнены однотипными терморезистивными, каждый из которых представляет собой две одинаковые параллельно расположенные вдоль оболочки нитевидные токопроводящие жилы, диаметр которых может составлять, например, 0,2 мм, выполненные из металла с положительным температурным коэффициентом сопротивления и с близкой к линейной зависимостью сопротивления от температуры, соединенные между собой у одного конца оболочки сваркой и изолированные друг от друга, от оболочки и от второго чувствительного терморезистивного элемента теплопроводным изолирующим материалом 13, например, окисью магния слоем 0,2 мм при внешнем диаметре рабочей части линейного датчика пожара равной 1,2 мм. К оболочке, со стороны соединения токопроводящих жил, герметично приварена металлическая заглушка 14, а с другой стороны, где за пределы оболочки 4 выступают свободные концы токопроводящих жил для подключения к внешней электрической цепи блока противопожарной защиты 6, оболочка 4 загерметизирована высокотемпературным клеем, например, К-300 или герметиком. Использование в линейном датчике пожара терморезистивных чувствительных элементов в виде двух соединенных между собой нитевидных токопроводящих жил позволит существенно уменьшить внешний диаметр линейного датчика пожара и, тем самым, снизить его тепловую инерционность. Кроме того, полная изоляция чувствительных терморезистивных элементов существенно повысит точность измерения и помехоустойчивость линейного датчика пожара и устройства обнаружения пожара или перегрева в целом. При этом линейный датчик пожара кроме рабочей части содержит монтажную часть, которая позволит избежать лишних соединений при его монтаже в пожароопасной зоне и, за счет этого, сделать устройство обнаружения пожара или перегрева более компактным.
Устройство обнаружения пожара или перегрева работает следующим образом.
Модуль аналого-цифрового преобразователя 9 обеспечивает питание линейных датчиков пожара 1 и преобразование выходных сигналов этих линейных датчиков пожара в цифровой код, который поступает по внутреннему интерфейсу в модуль вычислителя 10 для дальнейшей обработки. Для непрерывного контроля и выявления неисправностей линейных датчиков пожара (обрыв, короткое замыкание и др.) происходит сравнение показаний двух чувствительных терморезистивных элементов одного и того же линейного датчика пожара, допусковый контроль (сопротивление каждого чувствительного терморезистивного элемента должно находиться в пределах, соответствующих диапазону измеряемых температур), а также контроль по физическому соответствию параметров (например, средняя температура в области компрессора газотурбинного двигателя не должна превышать среднюю температуру в области турбины). Для обеспечения высокой точности измерения температуры в модуле вычислителя 10 осуществляется фильтрация выходных сигналов всех линейных датчиков пожара и линеаризация их статических характеристик. В модуле вычислителя 10 также осуществляется формирование пороговых значений для средней температуры и скорости ее нарастания для каждого линейного датчика пожара. Эти пороговые значения могут повышаться на величину от 20% до 50% для того линейного датчика пожара, в котором была обнаружена неисправность конкретного чувствительного терморезистивного элемента. Заданные пороговые значения могут корректироваться различными способами. В том случае, если в модуль вычислителя 10 по внешнему интерфейсу из систем объекта контроля поступает информация о режимах работы этого объекта контроля (например, информация о положении рычага управления двигателем, температуре и давлении на входе двигателя, расходе топлива, скорости и высоте полета), то осуществляется такая непрерывная коррекция порога для средней температуры, которая повышает уровень перегрева и пожара для более высоких режимов работы объекта контроля и понижает его для более низких режимов.
Для скорости нарастания температуры осуществляется коррекция заданных пороговых значений не по параметрам, характеризующим режим работы объекта контроля, а по скорости их изменения, причем лишь на время переходного процесса. В том случае, если соответствующая информация из систем объекта контроля не поступает, то осуществляется повышение только пороговых значений для скорости нарастания температуры и только на время переходного процесса, когда происходит одновременное превышение некоторого минимального уровня скорости нарастания температуры у всех линейных датчиков пожара, установленных в контролируемой зоне.
Формирование сигналов о пожаре или перегреве осуществляется в модуле вычислителя 10 в том случае, если происходит превышение соответствующих пороговых значений. Сигнал о перегреве формируется по средней температуре, а сигнал о пожаре формируется по средней температуре или по скорости ее нарастания. В случае появления любого из этих сигналов одновременно в основном канале 7 и в резервном канале 8, информация о пожаре или перегреве поступает по каналу информационного обмена в соответствующие системы объекта контроля, вызывая срабатывание световой и/или звуковой сигнализации. Одновременно, по сигналу от модуля вычислителя 10 в релейном модуле 11 происходит замыкание контактов реле. Этим осуществляется дублирование информации о пожаре или перегреве, переданной в виде цифрового кода, а также может осуществляться включение автоматической системы пожаротушения. В дополнительном модуле 12 реализуются вычисления скорости изменения температуры (наиболее помехозащищенные варианты представлены ниже). При этом в дополнительном модуле 12 за заданный интервал времени, длительность которого определяется исходя из времени необходимого для обнаружения пожара (обычно оно ограничивается диапазоном от 3с до 5 с), на основе данных о температуре, поступающих из модуля вычислителя 10 с дискретностью, например, 125 мс, формируют массив информации за время от 10 с до 15 си сохраняют его.
В наиболее простом варианте для вычисления скорости изменения температуры в сохраненном массиве, например, для времени обнаружения пожара равного 3с, выделяют из последних значений две равные части, по 24 значения каждая и находят среднее значение температуры в каждой части. В этом случае скорость изменения температуры определяют по формуле:
- скорость изменения температуры;
0
- среднее значение температуры за более поздний интервал времени, равный t;
0
- среднее значение температуры за более ранний интервал времени, равный t;
0
t - заданное время обнаружения пожара.
В таком варианте вычисление скорости изменения температуры осуществляется с запаздыванием, равным .
2
1
3
2
0
1
2
Вариант, который позволяет избежать этого эффекта, заключается в том, что при линейном нарастании температуры (фиг. 4) за равные интервалы времени t-t=t-t=t находят две суммы S и S, состоящие из 24 измерений температуры каждая. В этом случае скорость нарастания температуры находят по формуле:
- скорость изменения температуры;
2
S - сумма более поздних измерений температуры;
1
S - сумма более ранних измерений температуры;
0
t - заданное время обнаружения пожара.
1
2
Вычисление сумм S и S осуществляется в непрерывном (скользящем) режиме, когда с появлением нового измеренного значения оно сдвигает предшествовавшее ему значение влево по оси времени, а самое «старое» из всех значений отбрасывается.
0
0
Для обнаружения пламени с разными температурами горения на более ранних стадиях и в точках, наиболее удаленных от линейных датчиков пожара, бывает необходимо увеличить время t для обнаружения пожара и, соответственно, уменьшить пороговое значение для формирования сигнала о пожаре по скорости нарастания температуры. В этом случае в дополнительном модуле 12 осуществляется вычисление скорости нарастания температуры одновременно для нескольких значений t, например, для 3с, 5с и 10с, а в модуле вычислителя 10 устанавливают соответствующие пороги срабатывания, например, 2°С/с, 1°С/с и 0,5°С/с.
Испытания экспериментального образца устройства обнаружения пожара или перегрева с линейным датчиком пожара с двумя однотипными терморезистивными чувствительными элементами показали следующие результаты.
1. Время обнаружения пожара или перегрева по средней температуре у предлагаемого линейного датчика пожара, примерно в 3 раза меньше, чем у известных аналогов, а точность срабатывания по средней температуре выше более чем в 4 раза и может составлять 5°С при линеаризации статической характеристики.
2. Время обнаружения пожара по локальному воздействию пламени с температурой 1100°С на участок длиной 150 мм линейного датчика пожара сопоставимо с аналогами, не превышает 3с и остается на этом уровне при снижении температуры до 600°С.
3. Масса и габариты линейных датчиков пожара в резервированной системе обнаружения пожара уменьшены примерно в 2,5 раза по сравнению с известными устройствами обнаружения пожара или перегрева.
4. Сопротивление теплопроводного изоляционного материала линейного датчика пожара остается высоким даже при температуре 600°С и составляет не менее 500 кОм.
5. Несмотря на компактность конструкции, линейный датчик пожара выдерживает воздействие вибрации с уровнем до 30g в диапазоне частот от 10 до 2000 Гц и воздействие одиночных ударов с уровнем ударного ускорения до 45g и длительностью 11 мс.
Таким образом, предлагаемые способ обнаружения пожара или перегрева и устройство, реализующее этот способ, позволяют повысить точность измерения средней температуры и скорости ее нарастания в контролируемой зоне, повысить помехозащищенность и быстродействие устройства обнаружения пожара или перегрева при более компактной конструкции, по сравнению с известными аналогами.