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

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 (патенты РФ №2.032.229, 2.078.377, 2.110.094, 2.177.179, 2.210.813, 2.256.231, 2.340.002, 2.409865; патенты США №5.049.861, 5.079.422; патент ЕР №0.940.679; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с.292-295 и другие).
Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.409.865, G08B 17/117, 2009), которые и выбраны в качестве прототипов.
Известные технические решения обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности определения идентификационного номера объекта пожарной безопасности и его координат путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.
Однако, с точки зрения расширения диапазона рабочих частот, без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина целесообразно не подавлять, а использовать дополнительные каналы приема.
Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина путем использования зеркального и комбинационных каналов.
г
up
г
г
г
<mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что измеряют текущее значение концентраций 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, выделяют первое напряжение промежуточной частоты, сдвигают по фазе на +90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на +90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, первое суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки суммарного напряжения промежуточной частоты, которая заключается в том, что суммарное напряжение промежуточной частоты делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте
, удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ω, сдвигают его по фазе на +90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличается от ближайшего аналога тем, что после перемножения первого суммарного напряжения промежуточной частоты с принимаемым сигналом выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки первого суммарного напряжения промежуточной частоты, второе напряжение промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, второе суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки второго суммарного напряжения промежуточной частоты, после перемножения второго суммарного напряжения промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на удвоенной частоте 2ω гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки второго суммарного напряжения промежуточной частоты.
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 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 соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, 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 к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, первый усилитель промежуточной частоты, первый сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и первый блок обработки, состоящий из последовательно подключенных к выходу первого ключа делителя фазы на два, первого узкополосного фильтра, удвоителя фазы, второго узкополосного фильтра, первого фазовращателя на +90°, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, и блока регистрации, к второму выходу гетеродина последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты и третий фазовращатель на +90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым перемножителем, четвертым, пятым и шестым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым амплитудными детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, вторым, третьим и четвертым блоками обработки, причем к выходу первого перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, и второй блок обработки, к выходу второго усилителя промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель на -90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, пятый узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и третий блок обработки, к выходу второго перемножителя последовательно подключены шестой узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, и четвертый блок обработки.
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 и 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, показаны на фиг.5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг.6. Структурная схема блока 35 (39, 46, 50) обработки изображена на фиг.7.
Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых 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, первый смеситель 17, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 16, и первый усилитель 18 промежуточной частоты, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 16 второй фазовращатель 26 на 90°, второй смеситель 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 25 высокой частоты, второй усилитель 28 промежуточной частоты, третий фазовращатель 29 на 90°, первый сумматор 30, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18 промежуточной частоты, первый перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, третий узкополосный фильтр 32, первый амплитудный детектор 33, первый ключ 34, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 30, делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, первый фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом ключа 34, и блок 25 регистрации. Делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, первый фазовращатель 23 на +90°, фазовый детектор 24 и блок 25 регистрации образуют блок 35 (39, 46, 50) обработки.
К выходу первого перемножителя 31 последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр 36, второй амплитудный детектор 37, второй ключ 38, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 30, и второй блок 39 обработки. К выходу второго усилителя 28 промежуточной частоты последовательно подключены фазовращатель 40 на -90°, второй сумматор 41, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18 промежуточной частоты, второй перемножитель 42, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, пятый узкополосный фильтр 43, третий амплитудный детектор 44, третий ключ 45, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, и третий блок 46 обработки. К выходу второго перемножителя 42 последовательно подключены шестой узкополосный фильтр 47, четвертый амплитудный детектор 48, четвертый ключ 49, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 41, и четвертый блок 50 обработки.
н1
г
Частота настройки ω третьего 32 и пятого 43 узкополосных фильтров выбирается равной частоте ω гетеродина 16
н1
г
ω=ω.
н2
г
Частота настройки ω четвертого 36 и шестого 47 узкополосных фильтров выбрана равной второй гармонике частоты 2ω гетеродина 16
н2
г
ω=2ω.
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 «Sieges (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа Р1С12С509-А 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 выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (H), окись углерода (CO), двуокись углерода (CO) и ароматические углеводороды (CH), причем концентрации этих газов изменяются во времени.
Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси 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 процентах.
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:
CxHy
2
CO
2
K:Kн:K:Kco=1:1.5-2.5:6.0-8.5:2.5-4.0
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 1.1-l.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (H, CO, CO, и CH), изменяет свою проводимость при измерении 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 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. Например, на первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:
CxHy
2
CO
2
K:Kн:K:Kco=1:2,6:6:3,7,
на третьей минуте:
CxHy
2
CO
2
K:Kн:K:Kco=1:2,1:5:3.
Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:
2
CO
Kн:K=1:2,3,
а на третьей минуте:
2
CO
Kн:K=1:2,4.
При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:
CxHy
2
CO
2
K:Kн:K:Kco=1:1,6:8,5:3,
на третьей минуте:
CxHy
2
CO
2
K:Kн:K:Kco=1:2,1:7:2,8.
2
CO
2
CO
Соотношение Kн:K=1:2,6 на первой минуте и Kн:K=1:5,3 - 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)
с
с
с
с
с
u(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤Т,
с
с
с
с
где U, 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 М(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)
1
с
с
к
с
с
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к
к
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
с
с
Э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=τ·N),
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 первые входы смесителей 17 и 27, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 16:
г1
г
г
г
u(t)=U·Cos(ωt+φ),
г2
г
г
г
u(t)=U·Cos(ωt+φ+90°).
На выходах смесителей 17 и 27 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 18 и 28 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты
пр1
пр
пр
к
пр
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ],
пр2
пр
пр
к
пр
с
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ-90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>c</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub></mrow>
где
;
пр
с
г
ω=ω-ω - промежуточная (разностная) частота;
пр
с
г
ω=φ-φ.
пр2
Напряжение u(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 29 на 90°, на выходе которого образуется напряжение
пр3
пр
пр
к
пр
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ-90°+90°]=
пр
пр
к
пр
с
=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T.
пр1
пр3
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 30, на выходе которого образуется суммарное напряжение (фиг.5, г)
∑
∑
пр
к
пр
с
U(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
∑
пр
где U=2U.
1
Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 31, на второй вход которого подается принимаемый сигнал u(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя образуется гармоническое напряжение
2
1
г
г
с
u(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>с</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub></mrow>
где
;
н1
г
н1
г
которое выделяется узкополосным фильтром 32, детектируется амплитудным детектором 33 и поступает на управляющий вход ключа 34, открывая его. В исходном состоянии ключ 34 всегда закрыт. Частота настройки ω узкополосного фильтра 32 выбирается равной частоте ω гетеродина 16 (ω=ω).
∑
При этом суммарное напряжение u(t) с выхода сумматора 30 через открытый ключ 34 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 24 и на вход делителя 19 фазы на два. На выходе последнего образуется напряжение (фиг.5, д)
<mrow><msub><mi>u</mi><mn>3</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>U</mi><mn>3</mn></msub><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mi>i</mi><mi>n</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac><mi>t</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><msub><mi>ω</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
с
, 0≤t≤T,
3
2
где U=0,707U.
Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 20 и поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение
4
4
пр
пр
с
u(t)=U·Sin(ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msubsup><mi>U</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup></mrow>
где
;
которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход фазовращателя 23 на 90°. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.5, е)
5
4
пр
пр
4
пр
пр
с
U(t)=U·Sin(ωt+φ+90°)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
которое используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 24.
В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, ж)
н
н
к
с
u(t)=U-Cosφ, 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>Σ</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>н</mi></msub></mrow>
где
,
пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, б), которое фокусируется блоком 25 регистрации.
с
Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема полезных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω (фиг.6).
з
Если сложный ФМн-сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω
з
з
з
к1
з
з
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:
пр4
пр4
пр
к1
пр4
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ],
пр5
пр4
пр
к1
пр4
з
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>4</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub></mrow>
где
;
пр
г
з
ω=ω-ω - промежуточная частота;
пр4
г
з
φ=φ-φ.
пр5
Напряжение u(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:
пр6
пр4
пр
к1
пр4
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°+90°]=
пр4
пр
к1
пр4
=-U·Cos[ωt-φ(t)+φ],
пр7
пр4
пр
к1
пр4
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°-90°]=
пр4
пр
к1
пр4
=U·Cos[ωt-φ(t)+φ].
пр4
пр6
Напряжения u(t) и u(t), поступающие на два входа сумматора 30, на его выходе компенсируются.
пр4
пр7
Напряжения u(t) и u(t) поступают на два входа второго сумматора 41, на выходе которого образуется суммарное напряжение
∑1
∑1
пр
к1
пр4
з
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
∑1
пр4
где U=2U.
з
Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 42, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 42 образуется гармоническое напряжение
6
6
г
г
з
u(t)=U·Cos(ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>6</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Σ</mi><mn>1</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
которое выделяется узкополосным фильтром 43, детектируется амплитудным детектором 44 и поступает на управляющий вход ключа 45, открывая его. В исходном состоянии ключи 38, 45 и 49 всегда закрыты.
∑1
При этом второе суммарное напряжение u(t) с выхода сумматора 41 через открытый ключ 45 поступает на вход третьего блока 46 обработки.
к1
Если сложный ФМн-сигнал принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω
к1
к1
к1
к2
к1
к1
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения соответственно:
пр8
пр8
пр
к2
пр7
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ],
пр9
пр8
пр
к2
пр7
к1
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>7</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub></mrow>
где
;
пр
г
к1
ω=2ω-ω - промежуточная частота;
пр7
г
к1
ω=φ-φ.
пр9
Напряжение U(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:
пр10
пр8
пр
к2
пр7
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°+90°]=
пр8
пр
к2
пр7
=-U·Cos[ωt-φ(t)+φ],
пр11
пр8
пр
к2
пр7
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ+90°+90°]=
пр8
пр
к2
пр7
=U·Cos[ωt-φ(t)+φ].
пр8
пр10
Напряжения u(t) и u(t), поступающие на два входа сумматора 30, на его выходе компенсируются.
пр8
пр10
Напряжения u(t) и u(t) поступают на два входа второго сумматора 41, на выходе которого образуется суммарное напряжение
∑2
∑2
пр
к2
пр7
к1
u(t)=U·Cos[ωt-φ(t)+φ], 0≤t≤T,
∑2
пр8
где U=2U.
к1
Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 42, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 42 образуется гармоническое напряжение
7
7
г
г
к1
u(t)=U·Cos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>7</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mn>1</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Σ</mi><mn>2</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
которое выделяется узкополосным фильтром 47, детектируется амплитудным детектором 48 и поступает на управляющий вход ключа 49, открывая его.
∑2
При этом четвертое суммарное напряжение u(t) с выхода сумматора 41 через открытый ключ 49 поступает на вход четвертого блока 50 обработки.
к2
Если сложный ФМн-сигнал принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω
к2
к2
к2
к3
к2
к2
u(t)=U·CoS[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
то усилителями 18 и 28 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:
пр12
пр12
пр
к3
пр11
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ],
пр13
пр12
пр
к3
пр11
к2
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ-90°], 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mn>11</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mi>г</mi></msub></mrow>
где
;
пр
к2
г
ω=ω-2ω - промежуточная частота;
пр11
к2
г
ω=φ-φ.
пр13
Напряжение u(t) с выхода усилителя 28 промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 29 на +90° и 40 на -90°, на выходах которых образуются следующие напряжения:
пр14
пр12
пр
к3
пр11
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ-90°+90°]=
пр12
пр
к3
пр11
=U·Cos[ωt+φ(t)+φ],
пр15
пр12
пр
к3
пр11
U(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ-90°-90°]=
пр12
пр
к3
пр11
=-U·Cos[ωt+φ(t)+φ].
пр12
пр15
Напряжения U(t) и U(t), поступающие на два входа сумматора 41, на его выходе компенсируются.
пр12
пр14
Напряжения U(t) и U(t) поступают на два входа сумматора 30, на выходе которого образуется суммарное напряжение
∑3
∑3
пр
к3
пр11
к2
u(t)=U·Cos[ωt+φ(t)+φ], 0≤t≤T,
∑3
пр12
где U=2U.
к2
Это напряжение поступает на первый вход перемножителя 31, на второй вход которого подается принимаемый ФМн-сигнал u(t) с выхода усилителя 15 высокой частоты. На выходе перемножителя 31 образуется гармоническое напряжение
8
8
г
г
к2
u(t)=U·Cos(2ωt+φ), 0≤t≤T,
<mrow><msub><mi>U</mi><mn>8</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><msub><mi>U</mi><mrow><mi>к</mi><mn>2</mn></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>U</mi><mrow><mi>Σ</mi><mn>3</mn></mrow></msub></mrow>
где
;
которое выделяется узкополосным фильтром 36, детектируется амплитудным детектором 37 и поступает на управляющий вход ключа 38, открывая его.
∑3
При этом третье суммарное напряжение u(t) с выхода сумматора 30 через открытый ключ 38 поступает на вход второго блока 39 обработки.
Способ и устройство обеспечивают расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и своевременную передачу 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.
Указанные сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
2
с
с
Э
с
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>T</mi><mi>с</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>с</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>τ</mi><mi>Э</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mi>с</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>f</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mi>N</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Ширина спектра Δf второй гармоники определяется длительностью T сигнала
, тогда как ширина спектра Δf ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок
, т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf входного сигнала
.
Следовательно, в результате деления фазы на два и удвоения фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов. Кроме того, за счет узкополосной фильтрации удается отфильтровать значительную часть шумов и помех и тем самым повысить чувствительность приемника.
В широко известной схеме А.А.Пистолькорса, которая тоже обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования принимаемого сигнала, непосредственно из самого сигнала, присутствует «обратная работа». Это объясняется тем, что в данной схеме за счет удвоителя частоты фазовая манипуляция стирается полностью, т.е. сигнал разрушается. Поэтому сформированное опорное напряжение из разрушенного сигнала не имеет жесткой когерентности с ФМн-сигналом, отчего и происходит «обратная работа», т.е. сигнал низкочастотный на выходе фазового детектора воспринимается в «негативе»: нули вместо единиц и наоборот.
В предложенном приемнике ФМн-сигнал поступает на делитель фазы, а не на удвоитель частоты. Поэтому ФМн-сигнал не разрушается, а только уменьшается его девиация фазы, в результате чего появляется колебание промежуточной частоты, жестко синфазное с ФМн-сигналом. Последнее и исключает «обратную работу» и повышает достоверность выделения низкочастотного напряжения, пропорционального модуляционному коду M(t).
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 прототипом обеспечивают расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина. Это достигается за счет использования зеркального, первого и второго комбинационных каналов.