Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

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 устройство обнаружения пожара (патенты РФ №№2.207.631, 2.110.094, 2.078.377, 2.177.179, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002; патенты США №№5.049.861, 5.079.422; патент ЕР №0.940.679; патент WO №9.948.070; 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 №2.340.002, G08B 17/117, 2007), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные технические решения обеспечивают расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и 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.

Однако все объекты пожарной безопасности передают сигналы тревоги на одной несущей частоте, что создает определенные технические трудности в тех случаях, когда сигналы тревоги одновременно поступают в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения от нескольких объектов пожарной безопасности. В этой ситуации снижается достоверность раннего обнаружения пожара одновременно на нескольких объектах пожарной безопасности.

Технической задачей изобретения является повышение достоверности раннего обнаружения пожара одновременно на нескольких объектах пожарной безопасности путем передачи сигналов тревоги на разных частотах, поиска, обнаружения и селекции их в пожарной службе и/или на диспетчерском пункте наблюдения среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот.

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 концентраций газовых компонентов. 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, делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте w_пр/2, удваивают его фазу, выделяют это колебание на промежуточной частоте W_пр, 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 осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем периодической перестройки частоты гетеродина, удваивают фазу напряжения промежуточной частоты, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на промежуточной частоте и его второй гармоники, преобразуют значения ширины спектра в соответствующие амплитуды, определяют разность указанных амплитуд, сравнивают ее с пороговым уровнем и в случае его превышения принимают решение об обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляцией, прекращении перестройки частоты гетеродина на время τ_з, необходимое для синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, и разрешении синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, по истечении времени τ_з продолжают перестройку частоты гетеродина и поиск сигналов в заданном диапазоне частот.

Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее 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 сигнала 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 с 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, смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и усилитель промежуточной частоты, к выходу делителя фазы на два последовательно подключены первый удвоитель фазы, второй узкополосный фильтр, фазовращатель на 90°, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, и блок регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено блоком поиска, вторым удвоителем фазы, двумя измерителями ширины спектра, двумя преобразователями ширины спектра в амплитуду, блоком вычитания, пороговым блоком, ключом и линией задержки, причем к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены первый измеритель ширины спектра, первый преобразователь ширины спектра в амплитуду, блок вычитания, пороговый блок, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, и ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к выходу делителя фазы на два, к выходу усилителя промежуточной частоты последовательно подключены второй удвоитель фазы, второй измеритель ширины спектра и второй преобразователь ширины спектра в амплитуду, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания, вход управления гетеродина через блок поиска соединен с выходом порогового блока.

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 сложного сигнала с фазовой манипуляцией, содержащего сведения об объектах, где возникает пожар, представлена на фиг.4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств, показаны на фиг.5.

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 3i подключен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 светового и звукового 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. К 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 18 промежуточной частоты, первый измеритель 29 ширины спектра, первый преобразователь 31 ширины спектра в амплитуду, блок 33 вычитания, пороговый блок 34, второй вход которого через линию задержки 36 соединен с его выходом, ключ 35, второй вход которого соединен с выходом усилителя 18 промежуточной частоты, делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, первый удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом усилителя 18 промежуточной частоты, и блок 25 регистрации. К выходу усилителя 18 промежуточной частоты последовательно подключены второй удвоитель 28 фазы, второй измеритель 30 ширины спектра и второй преобразователь 32 ширины спектра в амплитуду, выход которого соединен с вторым входом блока 33 вычитания. Управляющий вход гетеродина 16 через блок 26 поиска соединен с выходом порогового блока 34.

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 Р1С 12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Devices» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (Н₂), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО₂) и ароматические углеводороды (С_хН_у), 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 К - 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, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов. Значения концентрации 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:

К_CхHу:К_H2:К_CO:К_CO2=1:1,5-2,5:6,0-8,5:4,0

При этом значения соотношений концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат в пределах 1:2,4-5,6 в каждый текущий момент времени.

Указанные выше соотношения концентрации основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношение текущих значений концентрации этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.

Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1÷1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (H₂, CO, СO₂ и С_хН_у), изменяет свою проводимость при изменении 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 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:

К_CхНу:К_H2:К_CO:К_CO2=1:2,6:6:3,7,

на третьей минуте:

К_CхНу:К_H2:К_CO:К_CO2=1:2,1:5:3.

Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:

К_H2:К_CO=1:2,3,

а на третьей минуте:

К_H2:К_CO=1:2,4

При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, цепа, шион) на первой минуте соотношение:

К_CхНу:К_H2:K_CO:К_CO2=1:1,6:8:3,

на третьей минуте:

К_CхНу:К_H2:К_CO:К_CO2=1:2,1:7:2,8.

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)

U_c(t)=V_c·Cos(w_ct+φ_c), 0≤t≤Т_c,

где V_c, w_c, φ_c, Т_c - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на второй вход фазового манипулятора, 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)

U₁(t)=V_c·Cos[w_ct+φ_k(t)+φ_c], 0≤t≤Т_c,

где φ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5, б), причем φ_k(t)=const при Кτ_э<t<(К+1) τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_c(T_c=N·τ_э), который после усиления в усилителе 12 мощности поступает в антенну 13 и излучается ею в эфир.

Следовательно, сигнал тревоги каждого объекта пожарной безопасности характеризуется несущей частотой и модулирующим кодом, отображающим его идентификационный номер.

На диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе поиск ФМн-сигналов осуществляется путем перестройки частоты гетеродина 16 в заданном диапазоне частот Df.

Принимаемый ФМн-сигнал U₁(f) (фиг.5, в) с выхода приемной антенны 14 через усилитель 15 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16 линейно-изменяющейся частоты

U_г(t)=V_г·Cos(w_гt+πγt²+φ_г), 0≤t≤T_п,

где - скорость перестройки частоты гетеродина в заданном диапазоне частоты Df; Т_п - период перестройки.

Поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется путем периодической перестройки частоты гетеродина 16 с помощью блока 26 поиска, в качестве которого может быть использован генератор пилообразного напряжения.

На выходе смесителя 17 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 18 выделяется напряжение промежуточной (разностной) частоты

U_пр(t)=V_пр·Cos[w_прt+φ_к(t)-πγ2е²+φ_пр], 0≤t≤7Т_с,

где ; w_пр=w_c-w_г - промежуточная частота; φ_пр=φ_с-φ_г,

которое поступает на входы первого измерителя 29 ширины спектра и второго удвоителя 28 фазы. На выходе последнего образуется следующее напряжение

U₂(t)=V₂·Cos(2w_прt+2πγt²+2φ_пр),

где , в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2φ_k(t)={0,2π}. Это напряжение поступает на вход второго измерителя 30 ширины спектра.

Ширина спектра Δf_с сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок

,

тогда как ширина спектра его второй гармоники определяется длительностью T_с сигнала

,

т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δf_c входного сигнала

.

Следовательно, в результате удвоения фазы сложного ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в N раз.

Ширина спектра Δf_c сложного ФМн-сигнала и его второй гармоники Δf₂ измеряются с помощью измерителей 29 и 30 ширины спектра. Измеренные значения ширины спектра Δf_c и Δf₂ поступают на входы преобразователей 31 и 32 ширины спектра, в амплитуду. На выходе последних образуются напряжения, амплитуды которых V_I и V_II пропорциональны ширине спектра Δf_c и Δf₂, соответственно (V_I=Δf_c, V_II=Δf₂). Так как Δf_c>>Δf₂, то и V_I>>V_II. Амплитуды V_I и V_II поступают на два входа блока 33 вычитания, на выходе которого образуется разность

ΔV_I-V_II,

которая сравнивается с пороговым уровнем V_пор в пороговом блоке 34. Пороговое напряжение V_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи, шумы и другие ложные сигналы.

При превышении порогового уровня V_пор(ΔV>V_пор) в пороговом блоке 34 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 35, открывая его, на управляющий вход блока 26 поиска, выключая его, и на вход линии 36 задержки, время задержки τ_з которой выбирается таким, чтобы можно было обработать и зафиксировать обнаруженный ФМн-сигнал. В исходном состоянии ключ 35 всегда закрыт.

При ложных сигналах (помехах) ΔV≈0 и ключ 35 не открывается.

Следовательно, второй удвоитель 28 фазы, измерители 29 и 30 ширины спектра, преобразователи 31 и 32 ширины спектра в амплитуду, блок 33 вычитания, пороговый блок 34, ключ 35 и линия 36 задержки образуют обнаружитель 27 ФМн-сигналов и обеспечивают их селекцию среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот Df.

При прекращении перестройки частоты гетеродина 16 усилителем 18 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение (фиг.5, г)

U_пр1(t)=V_пр·Cos[w_прt+φ_к(t)-πγ2t²+φ_пр], 0≤t≤Т_с,

которое через открытый ключ 35 поступает на вход делителя 19 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг.5, д)

U₃(t)=V₃·Sin(w_пр/2t+φ_k(t)+φ_пр/2), 0≤t≤Т_с,

где V₃=0,707 V₂.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 20 и поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

U₄(t)=V₄·Sin(w_прt+φ_пр), 0≤t≤Т_с,

где ,

которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход фазовращателя 23 на 90°. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг.5, е)

U₅(t)=V₄·Sin(w_прt+φ_пр+90°)=V₄·Cos(w_прt+φ_пр), 0≤t≤Т_с,

которое используется в качестве опорного напряжения и подается на опорный вход фазового детектора 24, на информационный вход которого поступает ФМн-сигнал на промежуточной частоте U_пр(t) (фиг.5, г) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты.

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг.5, ж)

U_н(t)=V_н·Cosφ_к(t), 0≤t≤Т_c,

где ,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг.5, б), которое фиксируется блоком 25 регистрации.

По истечении времени τ₃ напряжение с выхода линии 36 задержки поступает на второй (управляющий) вход порогового блока 34 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 35 закрывается, а блок 26 поиска отключается, т.е. они возвращаются в свои исходные состояния.

При обнаружении следующего сложного ФМн-сигнала, принадлежащего другому объекту пожарной безопасности и имеющего другую несущую частоту, работа устройства происходит аналогичным образом.

Для своевременной передачи сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения используются радиоканалы и сложные сигналы с фазовой манипуляцией.

В широко известной схеме А.А.Пистолькорса, которая также обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, непосредственно из самого сигнала, присутствует явление «обратной работы». Это объясняется тем, что в данной схеме за счет удвоения частоты фазовая манипуляция устраняется полностью, т.е. сигнал разрушается. Поэтому сформированное опорное напряжение из разрушенного сигнала не имеет жесткой когерентности с ФМн-сигналом, отчего и происходит явление «обратной работы», т.е. низкочастотный сигнал на выходе фазового детектора воспринимается в «негативе»: нули вместо единиц и наоборот.

В предложенном приемнике ФМн-сигнал на промежуточной частоте поступает на делитель фазы на два, а не на удвоитель частоты. Поэтому ФМн-сигнал полностью не разрушается, а только уменьшается его девиация фазы. В результате чего формируется колебание промежуточной частоты, жестко синфазное с ФМн-сигналом. Последнее и исключает явление «обратной работы» и повышает достоверность выделения низкочастотного напряжения, пропорционального модулирующему 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 прототипами и другими техническими решениями анлогичного назначения обеспечивают повышение достоверности раннего обнаружения пожара одновременно на нескольких объектах пожарной безопасности. Это достигается передачей сигналов тревоги на разных частотах одновременно от нескольких объектов пожарной безопасности. При этом на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе осуществляют поиск, обнаружение и селекцию сложных ФМн-сигналов среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот.

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.

В результате деления фазы на два и удвоения фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить сложный 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.