Технологии обнаружения пожара на основе регистрации и анализа состава газов, выделяющихся при нагреве, тлении и начальном этапе горения веществ

Из теории известно, что при загорании некоторых материалов до появления очевидных признаков пожара (дым, пламя, резкое повышение температуры среды), в месте появления очага загорания будут идти процессы первоначального нагрева, тления, начала термического разложения вещества, которые будут сопровождаться выделением различных газов и, в первую очередь, угарного газа (монооксид углерода СО), который в 70-80 % случаев гибели людей на пожарах является ее причиной.

Как показывают экспериментальные исследования, для надежной регистрации угарного газа в атмосфере помещения достаточно того, чтобы его концентрация достигла 20 ppm6, то есть 20 молекул СО на 1 миллион молекул других газов. Технологии обнаружения монооксида углерода в воздушной среде защищаемого помещения основываются на использовании полупроводниковых или электрохимических сенсоров. Технологию обнаружения монооксида углерода с использованием полупроводникового материала рассмотрим на примере сенсора, чувствительная поверхность которого образована диоксидом олова SnO2. Молекула СО, достигая поверхности сенсора, легко вступает в химическую реакцию доокисления углерода:

Как видно из химической формулы, в результате реакции на поверхности сенсора возрастает количество молекул чистого олова Sn, что приводит к уменьшению сопротивления проводящего слоя чувствительной поверхности. Очевидно, что, чем больше молекул СО достигнет поверхности сенсора, тем сильнее изменится первоначальное сопротивление проводящего слоя.

Для получения электрического сигнала о наличии молекул СО в воздушной среде сенсор включается как элемент в схему преобразователя. Поэтому изменение сопротивления его проводящего слоя будет пропорционально изменять параметры выхода электрической схемы преобразователя. При достижении определенной концентрации молекул СО амплитуда электрического сигнала на выходе преобразователя достигнет установленного порогового значения, что приведет к запуску блока сигнализации.

Для обеспечения непрерывности процесса измерения концентрации СО поверхность чувствительного элемента периодически восстанавливается. Для этого под ней установлен нагревательный элемент, при работе которого происходит обратный процесс окисления восстановленного олова. Конструктивное исполнение металлооксидного газового сенсора показано на рис. 1.

Рисунок 1. Конструкция металлооксидного газового сенсора: 1 – электрические выводы; 2 – стелянная панель; 3 – защитный кожух; 4 – нагреватель; 5 – подложка; 6 – платиновый проводник; 7 – активная поверхность; 8 – металлическая сетка

Чувствительный элемент представляет собой подложку (5) с нанесенной на нее активной поверхностью (7) выполненной пленкой SnO2 толщиной 20– 30 мкм. С нижней стороны прикреплен пленочный нагреватель (4) на основе RuO2 (диоксид рутения). Активная поверхность чувствительного элемента соединена с помощью платинового проводника (6) с электрическими выводами (1) стеклянной панели (2), выполняющей роль изолятора. Контакт активной поверхности с окружающей средой осуществляется через металлическую сетку (8) с ячейками размером 70 мкм, которая выполняет защитную функцию. В основе технологии обнаружения монооксида углерода с использованием электрохимического сенсора лежит химическая реакция в электрохимической ячейке (рис. 2).

Рисунок 2. Схема обнаружения монооксида углерода с применением электрохимического сенсора

Молекулы СО через газопроницаемую мембрану попадают на газопроницаемый измерительный электрод и вступают в химическую реакцию с электролитом. В результате в электролите появляются ионы, которые, проходя через электролит, создают разность потенциалов между измерительным и эталонным электродами, что приводит к появлению во внешней цепи электрического тока, величина которого будет пропорциональна концентрации СО в воздушной среде защищаемого помещения.

С помощью контрэлектрода потенциал электродов поддерживается на постоянном уровне, значительно повышая стабильность сенсора и улучшая его измерительные свойства. При этом величина тока, вырабатываемая сенсором при обнаружении пороговой концентрации СО, будет небольшой, в пределах от 1 до 10 мкА. Поэтому в электрической схеме выделения сигнала будет присутствовать операционный усилитель с аналогово-цифровым преобразователем для обеспечения уровня сигнала, необходимого для его анализа.