ДЫМОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ
SMOKE ALARM

Изобретение относится к области пожарной безопасности, в частности к оптическим пожарным извещателям, предназначенным для обнаружения дыма в зданиях и сооружениях и выдачи извещения (тревоги) о пожаре.
Дымовые пожарные извещатели используют оптические свойства дыма, для этого применяют излучатели и приемники излучения обычно в инфракрасной области частот, что снижает влияние внешней освещенности. Получение сигнала тревоги реализует электронный блок. Известные извещатели достаточно сложны, их метрологическая надежность недостаточна из-за неучета влияния накапливающейся в процессе эксплуатации пыли.
В дымовом пожарном извещателе по патенту RU 2356094 (опубл. 20.05.2009) электронный блок построен на базе микроконтроллера с большим количеством сложных обслуживающих устройств - коммутатор, ограничитель тока и напряжения, высокочастотный фильтр, токовое зеркало и др. Обработка сигнала фотоприемника ведется частью в аналоговой, частью в цифровой форме, что снижает метрологическую надежность. Извещатель не учитывает влияние запыленности.
Учет влияния запыленности предусмотрен в сигнализаторе дыма (патент RU 2317591, опубл. 20.02.2008) путем периодической чистки. Однако информация о сроке чистки не формируется. Измерительная камера очень сложна, аэродинамическое сопротивление оказывается значительным. В дополнение конструкция предусматривает поступление дыма в измерительную камеру по горизонтали, но поток теплого дыма поднимается вертикально. Сложный лабиринт измерительной камеры и принятое направление потока дыма понижают скорость потока в камере, что способствует увеличению скорости накопления пыли и замедлению времени выработки тревожного сигнала.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (прототипом) является пожарный дымовой извещатель по патенту RU 2417450, МПК G08B 17/107, опубл. 27.04.2011. Здесь в канале дымности применены две оптические пары излучатель-приемник, пространственно расположенные в различных плоскостях. Имеется отдельный излучатель контроля запыленности. Указанные элементы защищены от пыли прозрачным диском. В описании к патенту отмечено, что периодически электронная схема управления подает электрический сигнал на излучатель запыленности, отраженный от частиц пыли сигнал поступает в два приемника канала дымности, полученный сигнал анализируется электронной схемой системы управления, результат отражается светодиодом на корпусе извещателя. Однако алгоритмы работы и схемотехнические решения электронного блока управления не раскрыты. В описании отмечается, что от блока управления поступает электрический сигнал на два излучателя канала дымности, а два приемника воспринимают отраженный от частиц дыма сигнал. Не ясно,  зачем применено две пары излучатель-приемник, если зона пересечения лучей общая. Имеет место дублирование функций, т.е. усложнение. Работа канала дымности предполагает наличие генератора сигналов, питающих излучатели дымности. В то же время, по описанию, блок управления периодически подает сигнал на излучатель запыленности, следовательно, необходим второй генератор, задающий эту периодичность. В целом, устройство оказывается достаточно сложным. Рассматриваемый пожарный извещатель не дает информацию на пульт оператора системы пожарной сигнализации о его техническом состоянии, что предлагает периодический обход множества извещателей охраняемого здания.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение метрологической надежности регистрации наличия дыма и упрощения конструкции пожарного извещателя.
Указанный результат достигается тем, что дымовой пожарный извещатель укрепляемый на потолке и содержащий излучатель и приемники излучения, образующие оптические каналы, пространственно удаленные друг от друга и расположенные под заданным углом друг другу с образованием зоны пересечения их лучей, расположенной в пространстве на определенном расстоянии от защитного прозрачного диска, защищающего зону установки излучателя и приемников излучения, и электронный блок управления, снабжен зеркалом, установленным в оптическом канале запыленности таким образом, что отраженный от него луч излучателя направлен на приемник запыленности, а зона пересечения лучей образована лучами излучателя и приемника дымности, при этом она пространственно смещена от отраженного от зеркала луча излучателя. Оптические каналы конструктивно оформлены в виде съемной измерительной камеры, с окнами по нижней и боковой поверхностям, обеспечивающим свободное прохождение дыма, и включающей защитный прозрачный диск, выполненный съемным, который установлен в верхней части измерительной камеры.
В предлагаемом дымовом пожарном извещателе электронный блок управления выполнен в составе управляемого источника вторичного электропитания и соединенного с ним блока измерения, содержащего каналы дымности и запыленности, при этом управляемый источник вторичного электропитания содержит первый транзистор, коллектор которого образует вход электропитания пожарного дымового извещателя, соединенный через первый резистор с его базой, коллектором второго транзистора и первым выводом стабилитрона, второй вывод которого, эмиттер второго транзистора и база второго транзистора через второй резистор связаны с общей шиной, база второго транзистора через первый конденсатор образует вход управления, второй конденсатор, неподвижные выводы третьего и четвертого резисторов соединены с общей шиной и коллектором первого транзистора с образованием шины питания блока измерения, а подвижные выводы третьего и четвертого резисторов подключены через третий и четвертый конденсаторы к общей шине и образуют выходы установки напряжений срабатывания, соответственно, каналов дымности и запыленности блока измерения.
В дымовом пожарном извещателе блок измерения содержит генератор прямоугольных импульсов, соединенный с излучателем, оптически связанным с приемниками дымности и запыленности, канал дымности включает первый усилитель, вход которого присоединен к приемнику дымности, выход связан с первым входом амплитудного селектора, выход последнего через второй усилитель подключен к установочному входу триггера, а выход триггера образует выход сигнала тревоги, канал запыленности содержит усилитель, связывающий приемник запыленности с первым входом амплитудного селектора, выход последнего соединен с входом усилителя-формирователя, выход которого является выходом управляющего сигнала управляемого источника вторичного электропитания, при этом вторые входы амплитудных селекторов каналов дымности и запыленности являются, соответственно, выходами установки напряжений срабатывания каналов дымности и запыленности, управляемого источника вторичного электропитания.
Устройство дымового пожарного извещателя иллюстрируется чертежами: фиг.1 - компоновочная схема; фиг.2 - схема расположения диаграмм направленности излучателя и приемников излучения; фиг.3 - электрическая принципиальная схема управляемого источника вторичного электропитания; фиг.4 - функциональная схема блока измерения; фиг.5 - устройство юстировки зеркала.
Принятые обозначения:
1 - основание
2 - отверстия основания
3 - корпус извещателя
4 - плата с электронными компонентами
5 - электронный блок управления
6 - излучатель
7 - приемник дымности
8 - приемник запыленности
9 - измерительная камера
10 - корпус измерительной камеры
11, 12 - окна корпуса измерительной камеры
13 - съемный защитный прозрачный диск
14 - устройство юстировки зеркала
15 - зеркало
16 - электрический разъем
17 - зона пересечения диаграмм направленности излучателя и приемника дымности (зона измерения дымности)
18 - корпус устройства юстировки зеркала
19 - держатель
20 - площадка держателя
21 - ручка держателя
22 - гайка держателя
23 - пульт оператора
24 - генератор прямоугольных импульсов
25 - первый усилитель канала дымности
26 - амплитудный селектор канала дымности
27 - второй усилитель канала дымности
28 - триггер
29 - усилитель канала запыленности
30 - амплитудный селектор канала запыленности
31 - усилитель - формирователь
Имеется основание 1, прикрепляемое через его отверстия 2 к потолку защищаемого помещения. На основании с помощью резьбы крепится корпус 3. Верхний объем корпуса занимает плата 4 с электронными компонентами блока управления 5. Снизу на плате в державках закреплены излучатель 6, приемник дымности 7 и приемник запыленности 8. В качестве излучателя может быть применен светодиод инфракрасного частотного диапазона, а в качестве приемников - фотодиоды того же диапазона. Плата базируется на корпусе штифтами и крепится винтами (показаны условными обозначениями). Снизу к корпусу прикреплена измерительная камера 9, имеющая корпус 10 с окнами 11, 12 по нижней и боковой поверхностям. В расточке верхней части корпуса измерительной камеры установлен съемный защитный прозрачный диск 13, а на дне корпуса закреплено устройство юстировки зеркала 14 с зеркалом 15 (фиг.5). Измерительная камера базируется на корпусе извещателя штифтами и крепится винтами аналогично плате 4 блока управления. Связь извещателя со шлейфом системы пожарной сигнализации осуществляется с помощью электрического разъема 16.
Пространственное положение излучателя и приемников излучения, их диаграмм направленности и зеркала удобно проследить по фиг.2. Луч излучателя 6 (под этим будем понимать осевую линию диаграммы направленности), проходя через прозрачный диск 13, падает на зеркало 15 и отраженный от зеркала попадает на приемник запыленности 8. В другой плоскости находится диаграмма направленности приемника дымности 7, при этом она пересекается с диаграммой направленности излучателя, образуя зону пересечения 17, которую можно рассматривать как зону измерения дымности. В дежурном режиме с ростом запыленности измерительной камеры (прежде всего прозрачного диска 13 и зеркала 15) амплитуда светового импульса излучателя на приемнике запыленности будет уменьшаться. Величина этой амплитуды является критерием запыленности. В случае появления дыма в зоне измерения 17 возникает отраженный от частиц дыма луч, который образует оптический импульс на приемнике дымности. На основе факта наличия данного импульса электронный блок управления вырабатывает сигнал тревоги и отправляет его на пульт оператора системы пожарной сигнализации.
Для исходной настройки оптического канала запыленности предназначено устройство юстировки зеркала - фиг.5. В резьбовом отверстии корпуса 18 установлен держатель 19 со сферической средней частью. На консольном конце держателя имеется площадка 20, к которой приклеено зеркало 14. На этапе юстировки в держатель закручивают ручку 21. Найденное положение держателя фиксируют гайкой 22, после чего убирают ручку 21.
o
δ
c
Электронный блок управления 5 пожарного извещателя составлен из двух взаимосвязанных частей - управляемого источника вторичного электропитания и блока измерения. На фиг.3 для наглядности показан фрагмент пульта оператора 23 системы пожарной сигнализации. Пульт оператора имеет источник электропитания Е, последовательно с которым включен индикаторный светодиод VD. Если применен микромощный индикаторный светодиод, то его следует включить через ограничительный резистор R, а запитывать падением напряжения на балластном резисторе R. Пульт оператора имеет входы U сигналов тревоги пожарных извещателей.
п
п
д
з
д
з
п
o
o
o
п
д
з
o
Основу управляемого источника вторичного электропитания составляет стабилизатор напряжения, выполненный на транзисторе VT1. По схемному решению каскад на транзисторе VT1 представляет собой эмиттерный повторитель, коллектор которого подключен через шлейф к источнику Е пульта оператора, а опорное базовое напряжение задается напряжением стабилизации стабилитрона VD, ток последнего ограничен резистором R1. В соответствии со свойствами эмиттерного повторителя напряжение на эмиттере транзистора VT1 практически равно напряжению стабилизации стабилитрона VD. Это напряжение является питающим напряжением U функциональных элементов блока измерения. Параллельно выходу U подключен конденсатор С2 достаточно большой емкости. Он выполняет функции фильтра нижних частот и накопителя электрической энергии. Предусмотрены два подстроенных резистора R3 и R4 для получения граничных значений напряжений U и U, соответствующих принятым при проектировании извещателя уровням срабатывания по каналу дымности (U) и запыленности (U). Резисторы R3, R4 запитаны напряжением U, а их подвижные контакты соединены конденсаторами С3, С4 с общей шиной. Имеется каскад по схеме с общим эмиттером на транзисторе VT2, его база соединена резистором R2 с общей шиной, а коллектор связан с базой VT1. База VT2 через разделительный конденсатор С1 образует вход управления U. В исходном положении транзистор VT2 находится в режиме отсечки, его сопротивление коллектор-эмиттер велико, и он не влияет на работу стабилизатора напряжения на транзисторе VT1. Если подать положительный импульс на ход U, то транзистор VT2 перейдет в режим насыщения, чем обеспечит практически нулевой потенциал базы VT1. Это приведет к закрыванию (отсечке) транзистора VT1, следовательно, ток через транзистор VT1 прекратится. Заметим, что за время короткого импульса U напряжение питания U практически не изменится, т.к. емкость конденсатора С2 принята большой (см. выше) и накопленная на нем электрическая энергия велика. Потенциалы U и U также не изменяются, дополнительно этому способствуют емкости конденсаторов С3 и С4. Но на время короткого импульса U транзистор VT1 перешел в режим отсечки. Следовательно потребление тока от источника Е пульта оператора 23 прекратится, значит, погаснет индикаторный светодиод VD пульта оператора.
д
д
д
Второй частью электронного блока управления 5 дымового пожарного извещателя является блок измерения - фиг.4. Питание излучателя 6 осуществляется от генератора прямоугольных импульсов 24. Параметры последовательности импульсов генератора могут выбираться в широком диапазоне, например длительность импульсов 10 мкс, частота следования 1 Гц. Блок измерения составлен из двух каналов. Канал дымности содержит приемник дымности 7 и последовательно соединенные первый усилитель 25, амплитудный селектор 26, второй усилитель 27 и триггер 28. На второй вход амплитудного селектора 26 канала дымности от управляемого источника вторичного электропитания подается напряжение U, определяющее уровень срабатывания канала дымности. Уровень U выставляется на управляемом источнике вторичного электропитания подстроенным резистором R3 выше амплитуды фонового импульса (от паразитной засветки в измерительной камере) на выходе первого усилителя 25. Схемные решения функциональных элементов просты. Усилители 25, 27 не требуют больших коэффициентов усиления и могут быть однокаскадными, амплитудный селектор 26 может быть пассивным, состоящим из диода и резистора, в качестве триггера 28 можно применить простой RS-триггер. Установка триггера в исходное состояние на чертеже не отражена, она осуществляется обычным образом фронтом питания. В дежурном режиме при отсутствии дыма в измерительной камере 9 приемник дымности 7 воспринимает только паразитную (фоновую) засветку, при этом амплитуда импульсов на выходе первого усилителя 25 ниже уровня срабатывания U, следовательно, будет отсутствовать импульс на выходе амплитудного селектора 26, в итоге триггер 28 остается в исходном состоянии (на выходе остается низкий потенциал - логический нуль).
з
з
Канал запыленности блока измерения содержит приемник запыленности 8 и последовательно соединенные усилитель 29, амплитудный селектор 30 и усилитель-формирователь 31. На второй вход амплитудного селектора 30 канала запыленности от управляемого источника вторичного электропитания подается напряжение U,  определяющее уровень срабатывания канала запыленности. Уровень U выставляется на управляемом источнике вторичного электропитания подстроечным резистором R4. Усилитель 29 канала запыленности схемно аналогичен усилителям 25, 27 канала дымности, амплитудный селектор 30 одинаковый с амплитудным селектором 26 канала дымности, а усилитель-формирователь 31 может быть выполнен по схеме ждущего мультивибратора.
з
п
д
з
Уровень срабатывания U канала запыленности определяют из следующих соображений. Коэффициент усиления первого усилителя 25 канала дымности устанавливают по тестовому дыму в измерительной камере 9 так, чтобы на выходе усилителя амплитуды импульсов соответствовали уровню логической единицы, т.е. были близки к напряжению питания U. Коэффициент усиления усилителя 29 канала запыленности устанавливают добиваясь на его выходе амплитуды импульсов, равной уровню логической единицы при чистой измерительной камере 9. Далее постепенно осуществляют запыление измерительной камеры тестовой пылью и контролируют амплитуды импульсов на выходе первого усилителя 25 канала дымности. Когда эти амплитуды снизятся до уровня U, замеряют амплитуды импульсов на выходе усилителя 29 канала запыленности. Полученное значение амплитуд импульсов на выходе усилителя 29 канала запыленности с некоторым коэффициентом запаса должно быть равно напряжению U. Коэффициент запаса необходим для учета разных оптических свойств пыли для произвольных условий эксплуатации дымового пожарного извещателя, он также влияет на надежность срабатывания извещателя на появление дыма.
Работает пожарный дымовой извещатель следующим образом.
п
д
з
п
При включении источника питания на пульте 23 оператора системы пожарной сигнализации с управляемого источника вторичного электропитания (фиг.3) электронного блока управления 5 дымового пожарного извещателя на функциональные элементы блока измерения поступают напряжение питания U и напряжения срабатываний U канала дымности и U канала запыленности, а фронтом питания U триггер 28 устанавливается в исходное состояние, когда на его выходе присутствует логический нуль (потенциал выхода близок к потенциалу общей шины).
з
o
o
o
o
п
Включенный генератор 24 вырабатывает последовательность прямоугольных импульсов, питающих излучатель 6. Световые импульсы излучателя, отражаясь от зеркала 15, поступают на приемник запыленности 8, в результате на выходе усилителя 29 канала запыленности будут присутствовать импульсы логической единицы. Амплитудный селектор 30 канала запыленности пропустит эти импульсы (при чистой измерительной камере амплитуда импульсов больше напряжения U), а усилитель-формирователь 31 из них сформирует последовательность прямоугольных импульсов U увеличенной длительности. Импульсы с выхода усилителя-формирователя поступают на управляющий вход U управляемого источника вторичного электропитания и обеспечивают прерывание тока источника Е пульта оператора 23, в результате на время действия импульса U индикаторный светодиод VD пульта оператора гаснет. Оператор будет наблюдать мерцающий свет индикаторного светодиода пульта. Психологически, понимая импульсный принцип работы дымового пожарного извещателя, оператор воспринимают мерцающий свет как факт нормальной работы. Опять же психологически, если нет мерцания, оператор воспринимает это как отказ. Длительность импульсов усилителя-формирователя 31 устанавливают по критериям восприятия глазом длительности свечения и паузы индикаторного светодиода пульта. За время прохождения импульса U питание U элементов функциональной схемы блока измерения поддерживает накопительный конденсатор С2 управляемого источника вторичного электропитания.
п
д
c
В аварийной ситуации в охраняемом помещении появляется дым, который заполняет измерительную камеру 9, следовательно, дым оказывается в зоне пересечения лучей излучателя 6 приемника дымности 7 - зоне 17 измерения дымности. Отраженные от частиц дыма световые импульсы излучателя воспринимаются приемником 7, усиливаются усилителем 25 канала дымности до уровня логической единицы (примерно уровень питания U). Поскольку этот уровень существенно больше уровня срабатывания U канала дымности, то амплитудный селектор 26 пропускает эти импульсы, а после усилителя 27 они поступают на установочный вход триггера 28. Триггер опрокидывается, и на его выходе появляется логическая единица - сигнал тревоги U. Этот сигнал по шлейфу системы пожарной сигнализации поступает на пульт оператора.
Если в процессе эксплуатации на пульте оператора системы пожарной сигнализации перестает мерцать индикаторный светодиод, то это подсказывает оператору о необходимости чистки измерительной камеры дымового пожарного извещателя. Для проведения операции чистки снимают измерительную камеру 9, выкручивая крепежные винты, далее отдельно чистят съемный прозрачный диск 13 и корпус 10 вместе с устройством юстировки зеркала 14. Монтируются указанные элементы в обратном порядке.
Для проведения ремонтных работ удобно, отсоединив разъем 16 шлейфа, выкрутить за корпус 3 функциональную часть из закрепленного на потолке основания 1.
Таким образом, предлагаемый дымовой пожарный извещатель имеет простую конструкцию и простые схемные решения функциональных элементов электронного блока управления, обладает высокой метрологической надежностью выработки сигнала тревоги и сигнала технического состояния по уровню запыленности. Сигнал технического состояния пожарного дымового извещателя не требует отдельной линии в шлейфе системы пожарной сигнализации.