СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА В ОТСЕКЕ АВИАДВИГАТЕЛЯ ПО СКОРОСТИ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ
METHOD OF DETECTING FIRE IN AIRCRAFT ENGINE COMPARTMENT BY RATE OF TEMPERATURE CHANGE

Изобретение относится к области пожарной безопасности, а именно к способам обнаружения пожара в отсеках авиационных двигателей. Известна система обнаружения пожара или перегрева, содержащая датчик с двумя чувствительными элементами (терморезистивным и термисторным). Способ, реализованный в данной системе, позволяет определять среднюю температуру в контролируемой зоне по сопротивлениям двух чувствительных элементов, область датчика, подвергшуюся локальному воздействию повышенной температуры и оценить динамические изменения измеряемых параметров. [Патент США №7098797, опубликовано 29.08.2006]. Недостатком такого способа обнаружения пожара является значительное время, необходимое для обнаружения пожара. Это обусловлено большой тепловой инерционностью датчика (в первую очередь термисторного чувствительного элемента).
Известен способ обнаружения пожара или перегрева с помощью линейного терморезистивного датчика, который, благодаря своей конструкции, является более быстродействующим, чем датчик с термисторным чувствительным элементом. Данный способ позволяет определять пожар или перегрев по средней температуре в контролируемой зоне, а также обнаруживать локальное возгорание по скорости изменения температуры. [Патент РФ №2626716, опубликовано 31.07.2017]. Недостатками такого способа являются значительное время, необходимое для вычисления скорости изменения температуры и влияние тепловой инерционности датчика на скорость обнаружения пожара.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ обнаружения пожара с помощью линейного терморезистивного датчика, в котором по скорости изменения средней температуры определяют начальный момент возгорания, а по локально высокой температуре датчика получают подтверждение о возникновении пожара. [Патент РФ №2632765, опубликовано 09.10.2017]. Достоинством этого способа является высокая надежность, а недостатком - ограниченное быстродействие датчика, обусловленное его тепловой инерционностью. Для отсеков авиадвигателей важно обнаруживать непосредственное воздействие пламени на датчик за 3…5 секунд. При этом собственная тепловая инерционность датчика обнаружения пожара может составлять от 1,5 с до 3 с и более.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия при обнаружении пожара по скорости нарастания средней температуры в отсеке авиадвигателя.
Поставленная задача решается с помощью способа обнаружения пожара, заключающегося в том, что измеряют температуру в контролируемой зоне по показаниям линейного терморезистивного датчика, вычисляют скорость изменения этой температуры, определяют пожар по превышению заданной скорости изменения температуры, формируют и передают соответствующую информацию о пожаре.
Новым в заявляемом изобретении является то, что для определения пожара используют скорость изменения температуры и ее производную.
Достигаемый технический результат - повышение быстродействия при обнаружении пожара, обеспечивается за счет того, что осуществляется опережающее прогнозирование скорости изменения температуры на интервале времени, следующем за интервалом времени, на котором производится измерение температуры и примерно соответствующем по длительности величине постоянной времени линейного терморезистивного датчика. В результате этого достигается эффект компенсации тепловой инерционности линейного терморезистивного датчика.
В соответствии с п. 2 формулы изобретения находят среднее значение температуры за время, заданное для обнаружения пожара, находят сумму отрицательных и сумму положительных отклонений измеренных значений температуры от среднего значения температуры и по этим двум суммам вычисляют скорость изменения температуры, а также определяют величину производной скорости изменения температуры.
1
3
0
3
СР
0
3
0
3
На чертеже представлены графики изменения фактической температуры 1 и температуры 2, измеренной с помощью линейного терморезистивного датчика, в зависимости от времени. Дополнительные построения на графиках являются иллюстрацией того, как работает предлагаемый способ. Если на протяжении некоторого времени, превышающего величину постоянной времени (τ) линейного терморезистивного датчика, фактическая температура в контролируемой зоне не изменялась, то значения измеренной и фактической температур будут совпадать (отрезок времени от 0 до t). Если рядом с линейным терморезистивным датчиком происходит возгорание, то фактическая температура начинает сначала резко возрастать, а затем скорость ее нарастания снижается. Измеренная температура при этом будет запаздывать относительно фактической в соответствии с величиной постоянной времени τ. В этом случае важно определить скорость нарастания температуры как можно раньше относительно момента возникновения возгорания. Как следует из графика 2, скорость изменения измеренной температуры будет максимальной после момента времени t и на ее измерение потребуется еще какое-то время. В соответствии с предлагаемым способом процесс определения величины скорости нарастания температуры может быть ускорен за счет использования величины, пропорциональной производной скорости нарастания температуры. Для этого на текущем интервале времени измерения температуры, равном по длительности времени, за которое необходимо определить пожар (на фиг. это интервал tt, обычно длительностью 3…5с), по измеренным значениям температуры вычисляют ее среднее значение Т. На участке времени tt этому значению температуры соответствует линия АЕ. Для обеспечения высокой помехозащищенности при реализации предлагаемого способа количество точек измерения температуры за время tt рекомендуется выбирать в диапазоне от 40 до 100. Затем для измеренных значений температуры находят:
i
i
СP
ΔT=T-Т, где
i
0
2
ΔT - отклонение со знаком минус от среднего значения i-го измеренного значения температуры на интервале tt;
i
T - измеренное значение i-ой температуры;
СP
0
3
Т - среднее значение температуры, измеренной на интервале времени tt.
j
j
CP
ΔT=T-T, где
j
2
3
ΔT - отклонение со знаком плюс от среднего значения j-го измеренного значения температуры на интервале tt;
j
T - измеренное значение j-ой температуры.
1
i
После этого находят: S=∑ΔT, где
1
0
2
S - сумма отрицательных отклонений последовательно измеренных значений температуры на интервале tt;
2
j
S=∑ΔT, где
2
2
3
S - сумма положительных отклонений последовательно измеренных значений температуры на интервале tt.
2
Момент времени t и соответствующая ему точка В на графике 2 определяются как момент изменения знака отклонения температуры от среднего значения, а также исходя из того условия, что:
1
2
|S|=|S|.
2
0
2
2
3
0
После нахождения момента времени t определяется длительность интервалов tt и tt, а также соответствующие этим интервалам участки АВ и ВД на линии средней температуры. С достаточной для определения пожара точностью участки СВ и ВД на графике 2 можно считать линейными. В этом случае скорость изменения температуры в момент времени t можно приближенно определить как:
1
0
2
AC/AB=-2S/tt,
3
а в момент времени t как:
2
2
3
DE/BE=2S/tt.
3
4
3
Используя два найденных значения скорости изменения температуры можно определить ее значение на интервале времени tt, который отстоит от момента времени t на величину τ, используя производную скорости изменения температуры. Таким образом, скорость изменения температуры на участке DF графика 2 можно найти по формуле:
CP
2
2
3
2
2
3
1
0
2
0
3
dT/dt=2S/tt+(2S/tt+2S/tt)×τ/tt, где
CP
3
4
dT/dt - скорость изменения средней температуры, найденная для интервала времени tt, а
2
2
3
1
0
2
0
3
0
3
(2S/tt+2S/tt)/tt - производная скорости изменения температуры на интервале времени tt.
CP
0
3
Найденное таким способом значение dT/dt учитывает тепловую инерционность линейного терморезистивного датчика и принимается в качестве фактического значения скорости изменения температуры для интервала времени tt, на котором выполняются текущие измерения температуры.
1
2
1
2
1
2
0
2
2
3
1
2
0
2
2
3
Если, при анализе совокупности отклонений измеренных значений температуры от среднего значения, окажется, что они образуют не две, а более сумм, которые имеют чередующиеся знаки, то это будет означать, что нарушился монотонный характер изменения температуры и дальнейшее вычисление скорости изменения температуры нецелесообразно, т.к. оно будет близко к нулю. Кроме того, полезно учитывать, что при S<0 и S>0 температура нарастает, а при S>0 и S<0 температура падает. Соответственно, при S<0 и S>0 и tt>tt скорость изменения температуры возрастает, а при S<0 и S>0 и tt<tt скорость изменения температуры падает.
Для реализации предлагаемого способа необходимо использовать устройство обнаружения пожара, содержащее аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования сопротивления линейного терморезистивного датчика в цифровой код и микроконтроллер, в котором реализуются все необходимые вычисления. В этом случае длительность всех временных интервалов будет выражаться через длительность цикла измерения АЦП и количество измерений:
0
2
1
- длительность интервала tt составит Δt×N, где
Δt - длительность цикла измерения АЦП;
1
0
2
N - количество измерений температуры на интервале tt;
2
3
2
- длительность интервала tt составит Δt×N, где
2
2
3
N - количество измерений температуры на интервале tt;
0
3
1
2
- длительность интервала tt составит Δt×(N+N), где
1
2
0
3
N+N - количество измерений температуры на интервале tt.
Источники информации
1. Патент США №7098797.
2. Патент РФ №2626716.
3. Патент РФ №2632765.