СИСТЕМА ДЛЯ СИГНАЛИЗАЦИИ О ПРЕДПОЖАРНОЙ СИТУАЦИИ
PRE-FIRE SITUATION WARNING SYSTEM

Область техники изобретения
Настоящее изобретение относится к средствам контроля за предпожарными ситуациями, возникающими в результате локальных перегревов электрооборудования, и может быть использовано для предупреждения пожаров, возникающих из-за неисправностей электропроводки.
Уровень техники
На сегодняшний день более 20% всех пожаров возникает по причине нарушений в работе электрооборудования и электрических устройств. Чаще всего возгорание возникает в области электрических контактов.
Одним из наиболее эффективных методов борьбы с пожарами является распознавание предпожарных ситуаций. Многие системы для обнаружения таких ситуаций основаны на контроле состава газовой среды, в частности на анализе содержания газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления).
2
Водород (H) - основной компонент выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара, в процессе тления, концентрация водорода составляет 0,001-0,002%. В дальнейшем происходит рост содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода - оксида углерода (СО) - 0,002-0,008% [1].
Эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара в атмосферном воздухе при нормальных условиях должен находиться для большинства газов, в том числе водорода и оксида углерода, на уровне 0,002%. Желательно, чтобы быстродействие системы было не хуже 10 с. Такой вывод можно рассматривать как основополагающий для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов [1].
Таким образом, концентрации газообразных продуктов термического разложения, образующихся на стадии тления, очень незначительны. Из-за этого все системы выявления предпожарных ситуаций, основанные на обнаружении таких продуктов в воздухе, обладают рядом общих недостатков:
1. Использование таких систем возможно только на объектах с малой степенью вентилируемости.
2
2. Для обнаружения низких концентраций СО и Н необходимо использовать высокоточные селективные методы. При этом газовые сенсоры не могут обеспечить требуемой селективности, а устройства, основанные на спектрометрических измерениях, обладают высокой стоимостью и сложны в обслуживании.
2
2
3
3. Поскольку появление столь малых концентраций продуктов горения в воздухе может произойти не только в результате возгорания, увеличение чувствительности детектирующих систем приводит к увеличению количества ложных срабатываний. Так, например, сразу после появления пламени, концентрация диоксида углерода (СО) возрастает до 0,1%, что, с одной стороны, соответствует сгоранию 40-50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м, с другой стороны, эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. Такой уровень СО достигается также в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 ч [1].
4. Поскольку интенсивное выделение продуктов термического разложения начинается только при высоких температурах (>250°С) незадолго до появления пламени, такие системы не позволяют выявлять опасные ситуации на ранних стадиях.
Известен способ диагностики предпожарной ситуации и предотвращения возникновения пожара, включающий измерение интенсивности монохроматического излучения, испускаемого импульсным источником на частоте его поглощения продуктами термодеструкции идентифицируемых материалов, и выработку управляющего сигнала на подачу пожарной тревоги при превышении значений концентраций их допустимых величин [2].
К недостаткам известного способа можно отнести его невысокую надежность, большую вероятность ложных срабатываний, а также недостаточно раннее обнаружение возгораний, что обусловлено выработкой управляющего сигнала без учета скорости нарастания концентрации и оценкой пожароопасной ситуации по концентрациям недостаточного количества контролируемых газовых компонентов.
Известны способ и устройство для обнаружения предпожарной ситуации, основанные на инфракрасной спектроскопии. Устройство содержит оптически сопряженные источник и приемник излучения, связанный с первым усилителем, и схему обработки, которая содержит два приемника излучения, второй и третий усилители, которые вместе с первым усилителем через соответствующие блоки допустимых концентраций пожароопасных компонентов соединены с аналого-цифровым преобразователем, выход которого подсоединен через микропроцессор и цифроаналоговый преобразователь к блоку сигнализации, при этом второй выход микропроцессора подключен к монитору. Оно предназначено для обнаружения продуктов термического разложения разнообразных органических материалов, образующихся под воздействием нештатного источника тепла, который может возникать, в частности, в результате искрения или короткого замыкания в электрокоммутационном оборудовании [3].
Недостатком известного технического решения является то, что оно реагирует на появление газов и дыма, сопутствующих уже начавшемуся возгоранию, т.е. подает сигнал непосредственно до или уже после начала возгорания.
2
x
2
4
3
2
2
2
2
6
5
Известен способ диагностики предпожарной ситуации и предотвращения возникновения пожара, включающий измерение при помощи узла датчиков информативных параметров: концентраций газообразных продуктов термодеструкции в воздухе, а именно СО, СО, NO HCl, окислителей, дыма, а также температуры, измерение времени запаздывания сигнала от каждого из датчиков с использованием имитатора возгорания, определение значений производных зависимостей изменения от времени информативных параметров, измеренных каждым датчиком, выработку управляющего сигнала на подачу пожарной тревоги и возможное при этом включение средств пожаротушения и выключение электропитания в результате анализа пожароопасности на основе измеренных, по крайней мере, при помощи двух датчиков информативных параметров, отличающийся тем, что дополнительно в качестве информативных параметров измеряют концентрации Н, СН, NH, O, Cl, HS, SO, НСОН, СНОН, восстановителей, во временном интервале 0,1-60 с определяют для каждой зависимости информативных параметров от времени, по крайней мере, одно значение производной, определяют приведенное значение каждого из измеренных информативных параметров как величину, равную произведению значения производной на соответствующее каждому датчику время запаздывания, и осуществляют выработку управляющего сигнала при превышении допустимых величин приведенными значениями информативных параметров, определенными по измерениям, по крайней мере, двух датчиков, причем время запаздывания сигнала периодически измеряют как величину временного интервала между моментами включения имитатора возгорания и достижения максимального значения сигнала от датчика [4].
Известный способ ограниченно применим в широком использовании из-за сложности измерений концентраций газообразных продуктов термодеструкции в воздухе, инерционности замеров и необходимости применения дорогостоящего оборудования.
2
Известно устройство контроля параметров газовой среды, содержащее газовые датчики, аналоговую измерительную часть, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, а также схему питания сенсора и устройства в целом, отличающееся тем, что в состав электронной схемы устройства интегрирован программно-аппаратный интерфейс для передачи данных и команд по беспроводным сетям, а алгоритм проведении измерений и передачи данных оптимизирован с целью автономной работы устройства без замены элементов питания в течение межкалибровочного интервала. При этом устройство может использоваться в качестве предпожарного извещателя для контроля химического состава воздуха, в частности, для определения содержания СО и Н [5]. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
Недостатком известного устройства является возможность ложных срабатываний при обнаружении предпожарных ситуаций, а также низкая надежность работы в процессе эксплуатации из-за высокой чувствительности к помехам.
Описание изобретения
Целью изобретения является повышение вероятности обнаружения предпожарной ситуации на ранней стадии и минимизация количества ложных срабатываний.
Техническим результатом заявленного решения является повышение вероятности обнаружения предпожарной ситуации на ранней стадии.
Система сигнализации о предпожарной ситуации состоит из газового датчика, соединенного с регистратором, который подключен к системе подачи сигнала, и полимерного композиционного материала, наносимого на склонные к нагреву участки электрической цепи, имеющего температуру вскрытия в диапазоне 80-200°С и содержащего внутри легкокипящее вещество, которое легко детектируется вышеупомянутым газовым датчиком.
Система предназначена для раннего выявления предпожарных ситуаций, когда нагрев проводов или электрических контактов превышает допустимые эксплуатационные параметры (>100°С), но еще не достигает того уровня, при котором происходит термодеструкция материалов, способных к возгоранию (>250°С).
В качестве термоактивируемых полимерных композиционных материалов могут использоваться микрокапсулированные материалы, легкоразлагаемые составы (порофоры) и пористые материалы с порами закрытого типа, содержащие наполнители.
В качестве легкокипящего вещества, содержащегося внутри полимерного композиционного материала, могут использоваться фреоны, такие как 1,1,1,3,3-пентафторбутан (хладон 365) и 1,1,1,2,2,4,5,5,5-нонафтор-4-(трифторметил)пентан-3-он (Novec 1230) или диоксид серы. Данные соединения относятся к 4-му классу опасности, т.е. не являются опасными для человека. Также они не содержатся в воздухе помещений при обычных обстоятельствах, поэтому их можно детектировать при минимальных концентрациях, не боясь ложных срабатываний.
В качестве легкокипящего вещества могут также использоваться одоранты, такие как низшие меркаптаны, диалкилсульфиды, диалкилдисульфиды или их растворы. Преимуществом такого решения является то, что в этом случае определение перегрева будет возможно не только с помощью сенсора, но посредством человеческого обоняния. При этом определение перегрева произойдет на еще более ранней стадии, поскольку чувствительность обонятельных рецепторов к названным одорантам на порядок превосходит чувствительность электронных сенсоров.
Одорантом может являться метилмеркаптан, этилмеркаптан, н-пропилмеркаптан, изопропилмеркаптан, н-бутилмеркаптан, втор-бутилмеркаптан, изобутилмеркаптан, трет-бутилмеркаптан, амилмеркаптан, изоамилмеркаптан, гексилмеркаптан, диметилсульфид, диэтилсульфид, диаллилдисульфид, аллилметилсульфид, метилэтилсульфид, диизопропилсульфид, диметилдисульфид, диэтилдисульфид, дипропилдисульфид, диизопропилдисульфид.
В некоторых вариантах изобретения легкокипящее вещество, содержащееся внутри полимерного композиционного материала, представляет собой одорант в смеси с растворителями. Использование растворителей позволяет достигать меньших температур и более узких температурных диапазонов вскрытия композиционного материала при сохранении его механических характеристик.
Растворители для одоранта включают, но не ограничиваются только этим перечнем гидрофторхлоруглероды, гидрофторуглероды, фторуглероды, хлоруглероды, хлорфторуглероды, алканы, простые эфиры или их смеси.
В некоторых вариантах изобретения полимерный композиционный материал представляет собой микрокапсулы с ядром из легкокипящего вещества, заключенного в связующем. Микрокапсулы имеют двухслойную полимерную оболочку, внутренний слой которой состоит из желатина или его производного, а внешний усиливающий слой - из карбамидных смол, резорциновых смол, меламиновых смол, фенольных смол или поливинилацетатных смол. Средний наружный диаметр микрокапсул составляет 1-5000 мкм, средняя толщина полимерной оболочки составляет 0,01-1 мкм. Полимерным связующим является акриловая смола, и/или эпоксидная смола, и/или полиамид, и/или поливинилацетат, и/или полиэфир, и/или полимочевина, и/или поливиниловый спирт, и/или полиуретан.
В других вариантах изобретения полимерный композиционный материал представляет собой полимерный гель, образованный частицами сшитого полимера, набухшими в растворе легкокипящего вещества, помещенный в полимерную матрицу. Сшитым полимером является полиакриламид, сшитый Ν,Ν′-метиленбисакриламидом, поливиниловый спирт, сшитый эпихлоргидрином, или поливиниловый спирт, сшитый глутаровым альдегидом. Средний размер частиц сшитого полимера составляет 50-500 мкм. Полимерной матрицей является полиорганосилоксаны, поливинилацетат, эпоксидные смолы.
В других вариантах изобретения полимерный композиционный материал представляет собой частицы силикагеля или цеолита с сорбированным на них одорантом, помещенные в полимерную матрицу. Средний размер частиц составляет предпочтительно 10-2000 мкм. Полимерная матрица, входящая в состав композиционного материала, включает, но не ограничивается только этим перечнем полиуретан, полимочевину.
В других вариантах изобретения полимерный композиционный материал представляет собой частицы пористого полимера с порами закрытого типа или каналами, заполненными одорантом или раствором одоранта, помещенные в полимерную матрицу. Средний размер частиц составляет предпочтительно 200-5000 мкм. Средний диаметр пор составляет предпочтительно 10-100 мкм. В качестве пористого полимера предлагаются полистирол, полиорганосилоксаны, полиуретан, полимочевина. Полимерная матрица, входящая в состав композиционного материала, включает, но не ограничивается только этим перечнем поливинилацетат, эпоксидные смолы.
Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 схематично изображен общий вид устройства сигнализации, на фиг. 2 изображен общий вид изделия из композиционного материала, устанавливаемого на токоведущие детали.
Устройство для сигнализации о предпожарной ситуации, представленное на фиг. 1, состоит из пластины 1, выполненной из полимерного композиционного материала, содержащего внутри полостей 10 легкокипящее вещество, газового сенсора 2, соединенного через регистратор 3 с системой подачи сигнала 4. Пластина 1 приклеена к основе 6, которая имеет с обратной стороны клеевой слой 7, при помощи которого пластина 1 закрепляется на токоведущей детали 5. До установки на электроустановочное изделие защитный слой 7 закрыт легко отделяемой защитной пленкой 9. При нагреве выше определенной температуры пластина 1 выделяет газ 8, детектируемый при помощи газового сенсора 2.
На фиг. 2 показана пластина 1, выполненная из полимерного композиционного материала, содержащего внутри полостей 10 легкокипящее вещество. До установки на электроустановочное изделие защитный слой 7 закрыт легко отделяемой защитной пленкой 9.
Использование описанных полимерных материалов позволяет получить герметичные оболочки, позволяющие хранить заключенное в них легкокипящее вещество в течение длительного времени без существенных потерь. При достижении определенной температуры происходит вскипание наполнителя, что приводит к вскрытию композиционного материала и выпуску газообразных продуктов, детектируемых сенсором, в атмосферу. Изменение состава наполнителя и полимерной матрицы позволяет варьировать температуру вскрытия материала.
Поскольку газообразные вещества, выделяемые при нагревании композиционного материала, не содержатся при обычных условиях в атмосфере, а также то, что они выделяются при относительно низких температурах (до начала термического разложения материалов, из которых изготавливаются провода и электроустановочные устройства), предложенная система позволяет обнаруживать потенциально пожароопасные ситуации задолго до появления дыма или открытого огня.
Таким образом, настоящее изобретение позволяет обнаруживать предпожарные ситуации значительно раньше существующих аналогов. Предложенная система рассчитана на многократные срабатывания, так как для обнаружения перегрева достаточно выхода лишь малой доли заключенного в композиционном материале легкокипящего вещества. За счет непосредственного контакта полимерного композиционного материала с нагревающимся участком электрической цепи обеспечивается высокая скорость срабатывания системы.
Источники информации
1. Электроника: Наука, Технология, Бизнес. Выпуск 4/2001, с. 48.
2. Авторское свидетельство СССР 1277159, МПК G08B 17/10, 1985 г.
3. Патент РФ 2022250, МПК G01N 21/61, 1994 г.
4. Патент РФ 2175779, МПК G08B 17/117, 2001 г.
5. Патент РФ 95849, МПК G01N 33/00, 2010 г.