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

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов.
Известны способы и устройства раннего обнаружения пожара (авт. свид. СССР №№1.118.551, 1.472.933, 1.741.817, 1.836.970; патенты РФ №№2.032.229, 2.081.640, 2.095.099, 2.101.058, 2.115.450, 2.184.585, 2.207.631, 2.110.094, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002, 2.359.722; патенты США №№5.049.861, 5.079.422, 6.307.477; патенты Великобритании №№2.088.200, 2.423.400; патенты ЕР №0.940.679; патенты WO №9.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с. 292-295, ГОСТ-22.331-87. Классификация пожара и др.).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.340.002, G08B 17/117, 2007), которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные способ и устройство обеспечивают своевременную передачу сигналов тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).
пр
с
з
При этом устройство для приема сложных ФМн сигналов построено по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ω может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ω и ω, т.е.
с
з
с
пр
г
пр
Следовательно, если частоту настройки ω принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ω которого отличается от частоты ω на 2ω и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω гетеродина (фиг. 6). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования K, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на изобретательность и помехоустойчивость устройства приема сигналов.
Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:
ki
где ω - частота i-го комбинационного канала приема;
m, n, i - целые положительные числа.
Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий), так как чувствительность приемного устройства по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:
Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению избирательности и помехоустойчивости приемного устройства.
Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приемного устройства путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.
пр
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 совпадении 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 частоты гетеродина и выделяют напряжение промежуточной частоты, а затем выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличается от ближайшего аналога тем, что выделяют напряжение суммарной частоты, детектируют его по амплитуде, используют продетектированное напряжение для разрешения дальнейшей обработки напряжения промежуточной частоты, в соответствии с которой перемножают принимаемый сложный сигнал с фазовой манипуляцией с низкочастотным напряжением, пропорциональным модулирующему коду, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω и перемножают его с принимаемым сложным сигналом с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте.
Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, n датчиков концентрации в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношения текущих значений концентрации и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, причем к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе блок регистрации и последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором, ключом, двумя перемножителями, узкополосным фильтром и фильтром нижних частот, причем к выходу смесителя последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор, ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, узкополосный фильтр, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом ключа, и фильтр нижних частот, выход которого соединен с 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 сложных сигналов с фазовой манипуляцией, содержащих сведения об объектах, где возникает пожар, представлена на фиг. 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств, показаны на фиг. 5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая принцип образования дополнительных каналов, изображена на фиг. 6.
Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых предназначен для измерения концентрации одного газового компонента и содержит датчик в виде, например, газового сенсора 1.i (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, усилитель 19 суммарной частоты, амплитудный детектор 20, ключ 21, второй вход которого через усилитель 18 промежуточной частоты соединен с выходом смесителя 17, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом фильтра 26 нижних частот, узкополосный фильтр 25, второй перемножитель 24, второй вход которого соединен с выходом ключа 21, фильтр 26 нижних частот и блок 27 регистрации.
Перемножители 23 и 24, узкополосный фильтр 25 и фильтр 26 нижних частот образуют универсальный демодулятор 22 ФМн сигналов.
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 типа ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieger» (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа Р1С12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Deviees» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок.
Предполагаемый способ реализуется следующим образом.
2
2
x
y
Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (Н), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО) и ароматические углеводороды (CH), 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 тления хлопка и древесины показаны соответственно на фиг. 1 и 2, где K - текущее значение концентрации 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.
Значения 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 значения соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах.
Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношения концентраций в воздухе ароматических углеводородов, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждый текущий момент времени составляют:
При этом значения соотношения концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат 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 соотношение текущих значений концентраций этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.
2
2
x
y
Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.l-1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (Н, СО, CO, и CH), изменяет свою проводимость при изменении концентрации этого компонента в воздухе, в результате чего на выходе соответствующего сенсора 1.l-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.l.-3.n в цифровой сигнал.
Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например через 0,1-1 минуту, опрашивает сенсоры 1.l-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 соотношений 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 M(t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности, соответственно.
Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй-третьей минутах после начала искусственно вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала.
Пример.
На первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:
на третьей минуте:
Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:
а на третьей минуте:
При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:
на третьей минуте:
Соотношение  на первой минуте и  на третьей минуте.
При совпадении соотношения текущих значений концентрации 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 (фиг. 5, а)
c
c
c
c
где V, ω, φ, T - 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 (фиг. 5, б), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности.
На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг. 5, в)
k
k
э
э
э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг. 5, б), причем φ(t)=const при kτ<t<(k+1)τ и может изменяться скачком при t=kτ, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, … N);
э
c
э
с
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(N·t=Т), который после усиления в усилителе 12 мощности поступает в антенну 13, излучается в эфир, улавливается приемной антенной 14 и через усилитель 15 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16
На выходе смесителя 17 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 18 и 19 выделяются напряжения промежуточной (разностной) и суммарной частот соответственно:
где ;
- промежуточная (разностная) частота (фиг. 6);
- суммарная частота;
Σ
Напряжение U(t) суммарной частоты с выхода усилителя 19 поступает на вход амплитудного детектора 20, который выделяет его огибающую. Последняя поступает на управляющий вход ключа 21, открывая его. В исходном состоянии ключ 21 всегда закрыт.
пр
Напряжение U(t) (фиг. 5,г) промежуточной частоты с выхода усилителя 18 через открытый ключ 21 поступает на первые входы перемножителей 23 и 24 универсального демодулятора 22 ФМн сигналов.
На второй вход перемножителя 24 с выхода узкополосного фильтра 25 подается опорное напряжение (фиг. 5,д)
В результате перемножения указанных напряжений образуется следующее напряжение:
где
из которого фильтром 26 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (фиг. 5,е)
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг. 5,б), которое фиксируется блоком 27 регистрации и одновременно поступает на второй вход перемножителя 23. На выходе последнего образуется следующее напряжение:
где ,
которое выделяется узкополосным фильтром 25, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй вход перемножителя 24.
Следовательно, опорное напряжение, необходимое для синхронного детектирования принимаемого ФМн сигнала, выделяется из самого принимаемого ФМн сигнала, также как у широко известных демодуляторов ФМн сигналов (схемы А.А. Пистолькорса, В.И. Сифорова, Д.Ф. Костаса, Г.А. Травина).
Но если известным демодуляторам присуще явление «обратной работы», то предлагаемый универсальный демодулятор ФМн сигналов свободен от указанного недостатка.
c
Описанная выше работа приемного устройства соответствует случаю приема полезных сложных ФМн сигналов по основному каналу на частоте w(фиг. 6).
Если ложный сигнал (помеха)
з
поступает на вход приемного устройства по зеркальному каналу на частоте w, но на выходе смесителя 17 образуются следующие напряжения:
где
- промежуточная (разностная) частота:
- первая суммарная частота;
н
Так как частота настройки ω усилителя 19 суммарной частоты выбирается равной суммарной частоте
Σ1
з
то напряжение U(t) не попадает в полосу пропускания усилителя 19 суммарной частоты, ключ 21 не открывается и ложный сигнал (помеха), поступающий по зеркальному каналу на частоте ω, подавляется.
k1
k2
По аналогичной причине подавляются и ложные сигналы (помехи), поступающие по первому комбинационному каналу на частоте ω и по второму комбинационному каналу на частоте ω (фиг. 6).
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, не соответствующей процессу возгорания. Последнее возможно, например, в результате утечки газов из баллонов, емкостей или трубопроводов, находящихся внутри или вблизи охраняемых помещений.
Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами обеспечивают повышение избирательности и помехоустойчивости приемного устройства. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
Предлагаемый универсальный демодулятор ФМн сигналов обеспечивает выделение опорного напряжения непосредственно из принимаемого ФМн сигнала промежуточной частоты, лишен явления «обратной работы» и отличается простотой технической реализации.