СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR EARLY DETECTION OF FIRE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на разных стадиях тления и возгорания горючих материалов.
Известны способы и устройства раннего обнаружения пожара (авт.свид. СССР №1.478.929; патенты РФ №2.032.229, №2.078.377, №2.177.179, №2.207.631, №2.210.813, №2.256.228, №2.256.231, №2.340.002; №2.409.865, №2.539.804; патенты США №5.049.861, №5.079.422, №6.307.477; патент Германии №1.995.955; патент ЕР №940.679, №1.169.606; патенты WO №9.948.070, №1999/048.470. Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации.- М.: Стройиздат, 1985, с. 292-295 и другие.
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предполагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.537.804, G 0813 17/117, 2013), которые и выбраны в качестве прототипа.
Известные технические решения обеспечивают повышение избирательности и устойчивости приема и достоверности синхронного детектирования фазоманипулированных сигналов путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».
Однако известные технические решения неполноценно реализуют свои потенциальные возможности. Они могут быть использованы и для измерения несущей и доплеровской частоты принимаемых сигналов с фазовой манипуляцией.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем измерения несущей и доплеровской частоты принимаемых сигналов фазовой манипуляции и определения взаимного перемещения объекта пожарной безопасности и диспетчерского пункта наблюдения.
Г
д
Г
Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на том, что измеряют текущие значения концентрации в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадений указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, а затем выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, при этом частоту ω гетеродина выбирают равной частоте  принимаемого сигнала , где ± Ω доплеровское смещение частоты, и преобразуют принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией на нулевую частоту, причем для поддержания равенства  осуществляют фазовую автоподстройку частоты ω гетеродина, отличается от ближайшего аналога тем, что после перемножения принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией с напряжением низкой частоты выделяют гармоническое напряжение, измеряют несущую частоту принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией и регистрируют ее, гармоническое напряжение перемножают с напряжением гетеродина, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное доплеровскому смещению частоты, измеряют его и по знаку и величине доплеровского смещения частоты судят о направлении и скорости взаимного перемещения объекта пожарной безопасности и диспетчерского пункта наблюдения.
Г
Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательного соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентрации газовых компонентов с одновременным формированием соотношения текущих значений концентрации и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, а также на объекте пожарной безопасности последовательно подключенные ко второму выходу микропроцессора задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающую антенну, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом (гетеродина), первый фильтр нижних частот, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, и фазовый детектор, второй вход которого через фазовращатель на 90° соединен с вторым выходом гетеродина, а выход подключен к управляющему входу гетеродина, выход фильтра нижних частот подключен к первому входу блока регистрации, частота гетеродина ω выбрана равной частоте  принимаемого сигнала  и указанное равенство поддерживается автоматически, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено узкополосным фильтром, измерителем несущей частоты принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией, вторым перемножителем, вторым фильтром нижних частот и измерителем доплеровской частоты, причем к выходу первого перемножителя последовательно подключены узкополосный фильтр и измеритель несущей частоты принимаемого сигнала, выход которого подключен ко второму входу блока регистрации, к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены второй перемножитель, второй вход которого соединен со вторым выходом гетеродина, второй фильтр нижних частот и измеритель доплеровской частоты, выход которого соединен с третьим входом блока регистрации.
Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении хлопка, изображены на фиг. 1. Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении древесины, изображены на фиг. 2. Структурная схема устройства для раннего обнаружения пожара представлена на фиг. 3. Структурная схема устройства для приема сложного сигнала с фазовой манипуляцией, содержащего сведения об объектах, где возникает пожар, представлена на фиг. 4. Частотная диаграмма изображена на фиг. 5.
Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из них предназначен для измерения концентрации одного газового компонента и содержит датчик в виде, например, газового сенсора 1.i = (1,2, …, n), к которому подключены последовательно соединенные согласующий усилитель 2.i и аналого-цифровой преобразователь 3.i. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 3.i подсоединен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 световых и звуковых сигналов тревоги, снабженного световым 6 и звуковым 7 сигнализаторами, при этом выход 8 формирователя 5 соединен с центральным концентратором пожарной охраны (не показан). Количество каналов зависит от количества газовых компонентов, концентрации которых измеряют одновременно на начальной стадии возгорания. Ко второму выходу микропроцессора 4 последовательно подключены формирователь 9 модулирующего кода, фазовый манипулятор 11, второй вход которого через задающий генератор 10 соединен с выходом микропроцессора 4, усилитель 12 мощности и передающая антенна 13.
Устройство для приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, фильтр 18 нижних частот и блок 23 регистрации. К выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены перемножитель 21, второй вход которого соединен с выходом фильтра 18 нижних частот, и фазовый детектор 22, второй вход которого через фазовращатель 20 на 90° соединен со вторым входом гетеродина 16, а выход подключен к входу гетеродина 16.
Фазовращатель 20 на 90°, перемножитель 21 и фазовый детектор 22 образуют систему 19 фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).
К выходу первого перемножителя 21 последовательно подключен узкополосный фильтр 24 и измеритель 25 несущей частоты принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией, выход которого соединен с вторым входом блока 23 регистрации. К выходу узкополосного фильтра 24 последовательно подключены второй перемножитель 26, второй вход которого соединен со вторым выходом 16 гетеродина, второй фильтр 27 нижних частот и измеритель 28 доплеровской частоты, выход которого соединен с третьим входом блока 23 регистрации.
Устройство для приема сложных ФМн сигналов устанавливается на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе.
Устройство для раннего обнаружения пожара может быть реализовано на известных элементах отечественного и зарубежного производства, таких как полупроводниковые сенсоры ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieger» (Германия), MICS 1100 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа PIC12C509 фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Devices» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок.
Предлагаемый способ реализуется следующим образом.
2
2
x
y
Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделения газовых компонентов, основными из которых являются водород (Н), окись углерода (СО), двуокись углерода (СO) и ароматические углеводороды (СН), причем концентрации этих газов изменяются во времени.
Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов в первые несколько минут после начала горения хлопка и древесины показаны на фиг. 1 и 2, где К - текущее значение концентраций газового компонента в воздухе в %.
Анализ графиков показывает, что в течение первых минут тления идет резкое газовыделение одновременно нескольких газов, а именно водорода, ароматических углеводородов, окиси углерода и двуокиси углерода.
Значение концентраций выделяемых газов для разных горючих материалов могут быть различны, но выделение окиси углерода всегда сопровождается выделением водорода, ароматических углеводородов и двуокиси углерода. При этом значение соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах. Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношение концентраций в воздухе ароматических углеводородов, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждый текущий момент времени составляют:
При этом значение соотношения концентраций, например, водорода и окиси углерода в пределах 1: 2,4 - 5,6 в каждый текущий момент времени.
Указанные выше соотношения концентраций основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношения текущих значений концентраций этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.
2
2
x
y
Каждый их полупроводниковых газовых сенсоров 1,1 - 1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (Н, СО, СO, СН), изменяет свою проводимость при изменении концентрации этого компонента в воздухе, в результате чего на выходе соответствующего сенсора 1,1 - 1.n. появляется электрический сигнал величина которого соответствует определенной концентрации этого газового компонента в воздухе. Затем этот сигнал усиливают и преобразуют с помощью соответствующего преобразователя 3.1.-3.n в цифровой сигнал.
Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например через 0,1-1 минуту, опрашивает сенсоры 1.1-1.n, сопоставляет между собой поступившие с них текущие значения сигналов (соответствующие текущим значениям концентраций газовых компонентов в воздухе) и полученные соотношения текущих значений сигналов сравнивает с заданными соотношениями значений сигналов, записанными ранее и хранящимися в его памяти. При совпадении текущих значений сигналов с заданными соотношениями значений на формирователи 5 и 9 поступают сигналы, формирующие на них сигналы тревоги: световой, звуковой, а также сигнал, подаваемый с выхода 8 на центральный концентратор пожарной охраны, и модулирующий код М (t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности, соответственно.
Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй-третьей минутах после начала искусственного вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала. Например.
На первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:
На третье минуте:
Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:
На третьей минуте:
При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:
На третье минуте:
Соотношение  - на первой минуте и  - на третьей минуте.
При совпадении соотношения текущих значений концентраций основных газовых компонентов с заданными соотношениями в микропроцессоре 4 формируется сигнал, который с его второго выхода поступает на вход задающего генератора 10 и включает его.
Задающий генератор 10 формирует высокочастотное колебание:
где  - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на второй вход фазового манипулятора 11, на первый вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 9, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности. На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал
к
к
э
э
э
где ϕ(t) = {0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕ(t) = const при Кτ<t< (К + 1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К = 1,2, …, N);
э
с
с
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т(Т = τN), который после усиления усилителя 12 мощности поступает в антенну 13, излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14
д
где ± Ω - доплеровское смещение частоты,
и через усилитель 15 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16
г
г
г
г
u(t) = UCos(ωt + ω)
г
Причем частота ω гетеродина 16 выбирается равной частоте  принимаемого ФМн-сигнала  На выходе смесителя 17, образуются следующие напряжения:
где
Фильтром 18 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты).
пропорциональное модулирующему коду M(t), которое фиксируется блоком 23 регистрации.
г
н
Следует отметить, что выбор частоты ω гетеродина 16 равной частоте  принимаемого ФМн-сигнала  обеспечивает совмещение двух процедур: преобразование ФМн-сигнала на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения u(t), пропорционального модулирующему коду M(t), то есть синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала с помощью смесителя 17, гетеродина 16 и фильтра 18 нижних частот. Такая схемная конструкция позволяет избавиться от дополнительных каналов приема зеркального на частоте  первого  и второго  комбинационных каналов.
1
Так как частота  принимаемого ФМн-сигнала может изменяться под воздействием разных дестабилизирующих факторов, то для выполнения и поддержания равенства  используется система ФАГТЧ, состоящая из перемножителя 21, фазовращателя 20 на 90° и фазового детектора 22. Причем в перемножителе 21 происходит обратная манипуляция принимаемого ФМн-сигнала u(t), позволяющая сформировать не манипулированное колебание, фильтруемое затем системой ФАПЧ. Так как перемножение происходит по высокой частоте, то в качестве перемножителя 21 может применятся обычный балансный модулятор. Система с обратной манипуляцией обладает дополнительными возможностями по улучшению помехоустойчивости за счет последетекторной обработки сигнала, используемого для устранения фазовой манипуляции.
На выходе перемножителя 21 образуется гармоническое напряжение
где
г
которое выделяется узкополосным фильтром 24 и поступает на выход измерителя 25 несущей частоты принимаемого сигнала и на первый ход перемножителя 26, на второй вход которого подается напряжение u(t) гетеродина 16. Измеритель 25 обеспечивает измерение несущей частоты  принимаемого ФМн-сигналами.
На выходе перемножителя 26 образуется низкочастотное напряжение:
д
с
г
где  ϕ = ϕ - ϕ,
которое выделяется фильтром 27 нижних частот на входе измерителя 28 доплеровской частоты.
д
Если доплеровская частота (Ω=0), то объект пожарной безопасности и диспетчерского пункта наблюдения находится в статическом положении.
д
Если объект пожарной безопасности и диспетчерский пункт наблюдения сближаются, то об этом свидетельствует знак «+», а величина доплеровской частоты +Ω свидетельствует о скорости их сближения.
д
Если объект пожарной безопасности и диспетчерский пункт наблюдения удаляются друг от друга, то об этом свидетельствует знак «-» и величина доплеровской частоты - Ω свидетельствует о скорости их удаления друг от друга.
Предполагаемые технические решения обеспечивают расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и своевременную подачу сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения. Это достигается использованием радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
Одновременное контролирование нескольких газов повышает надежность обнаружения пожара именно на ранних стадиях тления и возгорания. При этом исключается возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов по любой из причин, несоответствующий процессу возгорания. Последнее возможно, например, в результате утечки газов из баллонов, емкостей или трубопроводов, находящихся внутри или вблизи охраняемых помещений.
Предлагаемый способ и устройство обеспечивают повышение избирательности и помехоустойчивости приема и достоверности синхронного детектирования фазоманипулированных сигналов. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационному каналам, и устранением явления «обратной работы» за счет преобразования принимаемых в ФМн-сигналов на нулевую частоту. Указанное преобразование позволяет также выделять моделирующий код из принимаемых ФМн-сигналов. Совмещение двух указанных процедур обеспечивается гетеродином, смесителем и фильтром нижних частот, которые одновременно выполняют роли преобразователя частоты и синхронного демодулятора принимаемого ФМн-сигналами. Такая схемная конструкция свободна от дополнительных каналов приема и явления «обратной работы», а система фазовой автоматической подстройки частоты  гетеродина обеспечивает автоматическое слежение за изменениями несущей частоты  принимаемого ФМн-сигнала, которое может возникать под влиянием различных дестабилизирующих факторов.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают измерение несущей и доплеровской частоты принимаемых сигналов с фазовой манипуляцией и определение взаимного перемещения объекта пожарной безопасности и диспетчерского пункта наблюдения.
Тем самым функциональные возможности известных технических решений расширены.