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 обнаружения пожара с помощью пожарных извещателей, реагирующих на действие открытого пламени или дыма и вырабатывающих сигнал тревоги (Г.М.Зуйков. Инспектору госпожарнадзора о пожарной сигнализации. М.: Стройиздат, 1988). К ним относятся световые, реагирующие на световое или инфракрасное излучение очага пожара; тепловые, реагирующие на повышение температуры при пожаре; и дымовые, реагирующие на повышение концентрации частиц дыма, извещатели.

Однако эти извещатели недостаточно эффективны, так как при их использовании сигнал тревоги формируется сравнительно поздно, когда пожар уже достаточно сильно развит. Кроме того, эти извещатели не исключают возможность ложного срабатывания при повышении температуры или запылении помещения, не связанных с пожаром.

Время реакции пожарного извещателя на начало пожара может быть уменьшено при использовании газовых пожарных извещателей, реагирующих на газы, образующиеся на начальной стадии тления горючих материалов, которые могут свободно выходить из замкнутых полостей, в которых произошло возгорание.

Известны способы (V.M. Aroutiounian, Z.N. Adamian, H.V. Abovian. Thin film smoke sensuy element. The Sixth Yntemational Meeting on Chemical Sensors, 1996, Yuli 22-25, Gaitherburg, Md, USA, p.103) распознавания пожара с помощью одного неселективного газового датчика, реагирующего на смесь газов, которые могут образоваться при тлении горючих материалов. Применение таких датчиков ограничено высокой вероятностью появления ложных сигналов таких извещателей при воздействии на них, например, паров растворителей.

Известен способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации (DE, C2, 3.123.279), заключающийся в том, что непрерывно измеряют текущее значение концентрации окиси углерода, выделяющейся при тлении горючих материалов, сравнивают его с заданным допустимым значением указанной концентрации и при совпадении этих значений формируют сигнал тревоги.

Однако в указанных технических решениях для формирования сигнала тревоги используют только те значения концентрации окиси углерода, которые превышают среднее значение ее концентрации в данном помещении. Кроме того, при формировании сигнала тревоги принимаются в расчет только те отклонения концентрации CO от среднего значения, частота которых лежит в интервале, характерном для пожара. Они не исключают возможности формирования сигнала тревоги при накоплении CO в результате работы печей, курения, а также в других случаях повышенного выделения CO, не связанных с пожаром.

Известны также способы и устройства раннего обнаружения пожара (авт. свид. СССР №1.472.922; патенты РФ №№2.207.631, 2.032.229, 2.078.377, 2.177.179, 2.210.813, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002; патенты США №№5.049.861, 5.079.422, 6.307.477; патент Германии №1.995.255; патенты EP №0.940.679, 1.159.606; 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 прототипа.

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.

Устройство, реализующее известный способ, содержит по меньшей мере два датчика концентраций газовых компонентов, выделяющихся при тлении, микропроцессор и формирователь сигнала тревоги.

Однако аппаратура, установленная в пожарной службе и/или на диспетчерском пункте наблюдения, построена по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах: ω_с и ω_з, т.е.

ω_пр=ω_с-ω_г и ω_г-ω_з.

Следовательно, если частоту настройки ω_с принять за основной канал приема, то наряду с ним имеет место и зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты ω_с основного канала приема на 2ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г гетеродина (фиг.5).

Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость супергетеродинного приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

,

где ω_Ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигналов с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность приемника по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:

ω_к1=2ω_г-ω_пр и ω_к2=ω_с+ω_пр.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и избирательности приемника.

Кроме того, в указанной аппаратуре присутствует устройство для синхронного детектирования фазоманипулированных (ФМн) сигналов, которому присуще явление «обратной работы», обусловленное неопределенностью начальной фазы гармонического колебания, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение избирательности и помехоустойчивости приема и достоверности синхронного детектирования фазоманипулированных сигналов путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам, и устранения явления «обратной работы».

Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на том, что измеряют текущие значения концентрации 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 с использованием напряжения гетеродина, а затем выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличается от ближайшего аналога тем, что частоту ω_г гетеродина выбирают равной частоте ω_с принимаемого сигнала ω_г=ω_с и преобразуют принимаемый сигнал с фазовой манипуляцией на нулевую частоту, причем для поддержания равенства ω_г=ω_с осуществляют фазовую автоподстройку частоты ω_г гетеродина.

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 последовательного 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 соотношения текущих значений концентрации и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, а также на объекте пожарной безопасности последовательно подключенные к второму выходу микропроцессора задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающую антенну, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе антенну, усилитель высокой частоты и смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, последовательно включенные фазовращатель на 90° и фазовый детектор, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено фильтром нижних частот и перемножителем, причем выход смесителя через фильтр нижних частот соединен с входом блока регистрации, к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом фильтра нижних частот, и фазовый детектор, выход которого подключен к входу гетеродина, вход фазовращателя на 90° соединен со вторым выходом гетеродина, а выход подключен к второму входу фазового детектора, частота гетеродина ω_г выбрана равной частоте ω_с принимаемого сигнала ω_г=ω_с и указанное равенство поддерживается автоматически.

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. Частотная диаграмма изображена 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 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, смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, фильтр 18 нижних частот и блок 23 регистрации. К выходу усилителя 15 высокой частоты последовательно подключены перемножитель 21, второй вход которого соединен с выходом фильтра 18 нижних частот, и фазовый детектор 22, второй вход которого через фазовращатель 20 на 90° соединен со вторым выходом гетеродина 16, а выход подключен к входу гетеродина 16.

Фазовращатель 20 на 90°, перемножитель 21 и фазовый детектор 22 образуют систему 19 фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ).

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 Р1С12С509-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 (H₂), окись углерода (CO), двуокись углерода (CO₂) и ароматические углеводороды (C_xH_y), 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 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, 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 каждой текущий момент времени составляют:

.

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.

Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1-1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (H₂, CO, CO₂ и C_xH_y), изменяет свою проводимость при изменении 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 искусственного 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:

,

на третьей минуте:

.

Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:

,

а на третьей минуте:

.

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

,

на третьей минуте:

.

Соотношение на первой минуте и - 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

u_с(t)=U_с·Cos(ω_ct+φ_с), 0≤t≤Т_c,

где U_с, ω_с, φ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на второй вход фазового манипулятора 11, на первый вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 9, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности. На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал

u₁(t)=U_с·Cos[ω_сt+φ_к(0+φ_с], 0≤t≤T_с,

где φ_к(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ_к(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_с(T_с=τ_э·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 первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16

u_г(t)=U_г·Cos(ω_гt+ω_г).

Причем частота ω_г гетеродина 16 выбирается равной ω_с принимаемого ФМн-сигнала (ω_г=ω_с). На выходе смесителя 17 образуются следующие напряжения:

u_н(t)=U_н·Cosφ_к(t)+U_н·Cos[2ω_сt+φ_к(t)+2φ_с],

где .

Фильтром 18 нижних частот выделяется низкочастотное напряжение (напряжение нулевой частоты)

u_н(t)=U_н·Cosφ_к(t), 0≤t≤T_с,

пропорциональное модулирующему коду M(t), которое фиксируется блоком 23 регистрации.

Следует отметить, что выбор частоты ω_г гетеродина 16 равной частоте ω_с принимаемого ФМн-сигнала (ω_г=ω_с) обеспечивает совмещение двух процедур: преобразование принимаемого ФМн-сигнала на нулевую частоту и выделение низкочастотного напряжения u_н(t), пропорционального модулирующему коду M(t), т.е. синхронное детектирование принимаемого ФМн-сигнала с помощью смесителя 17, гетеродина 16 и фильтра 18 нижних частот. Такая схемная конструкция позволяет избавиться от дополнительных каналов приема (зеркального на частоте ω_з, первого ω_к1 и второго ω_к2 комбинационных каналов).

Так как частота ω_с принимаемого ФМн-сигнала может изменяться под воздействием различных дестабилизирующих факторов, то для выполнения и поддержания равенства ω_г=ω_с используется система ФАГГЧ, состоящая из перемножителя 21, фазовращателя 20 на 90° и фазового детектора 22. Причем в перемножителе 21 происходит обратная манипуляция принимаемого ФМн-сигнала u₁(t), позволяющая сформировать неманипулированное колебание, фильтруемое затем системой ФАПЧ. Так как перемножение происходит по высокой частоте, то в качестве перемножителя 21 может применяться обычный балансный модулятор. Система с обратной манипуляцией обладает дополнительными возможностями по улучшению помехоустойчивости за счет последетекторной обработки сигнала, используемого для устранения фазовой манипуляции.

Предлагаемые технические решения 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.

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 аналогичного назначения обеспечивают повышение избирательности и помехоустойчивости приема и достоверности синхронного детектирования фазоманипулированных сигналов. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационному каналам, и устранением явления «обратной работы» за счет преобразования принимаемых ФМн-сигналов на нулевую частоту. Указанное преобразование позволяет также выделять модулирующий код из принимаемых ФМн-сигналов. Совмещение двух указанных процедур обеспечивается гетеродином, смесителем и фильтром нижних частот, которые одновременно выполняют роли преобразователя частоты и синхронного демодулятора принимаемого ФМн-сигнала. Такая схемная конструкция свободна от дополнительных каналов приема и явления «обратной работы», а система фазовой автоматической подстройки частоты ω_г гетеродина обеспечивает автоматическое слежение за изменениями несущей частоты ω_с принимаемого ФМн-сигнала, которое может возникать под влиянием различных дестабилизирующих факторов.