Технологии обнаружения пожара на основе регистрации выделяющегося при загорании дыма

Большое количество материалов горит с выделением дыма, который представляет собой дисперсную систему, состоящую из газов, паров и раскаленных частиц. Дым является аэрозолем, так как в нем все частицы дисперсной фазы находятся во взвешенном состоянии. По дисперсности аэрозоли с твердой дисперсной фазой разделяются на дымы с частицами от 10–7 до 10–3 см и на пыли, размер частиц которых больше 10–3 см. Если горение происходит в среде с повышенной влажностью, то при горении могут образовываться туманы, которые вместо твердых частиц содержат довольно крупные капли жидкости размером от 10–5 до 10–3 см. Дым при горении твердых горючих материалов, как правило, начинает выделяться с началом тления и под действием тепловых потоков поступает в окружающее пространство.

В процессе увеличения концентрация дыма при горении материалов изменяется оптическая плотность воздушной среды помещения, и, как следствие, проявляется эффект ослабления светового потока, проходящего в задымленной среде. Экспериментальный график зависимости показателя ослабления светового потока от концентрации дыма при горении некоторых материалов в помещении представлен на рис. 1.

Рисунок 1. График зависимости показателя ослабления светового потока от концентрации дыма в помещении

Технология обнаружения пожара на основе регистрации изменений оптических свойств среды, вызванных поглощением частицами дыма различных видов излучения, предполагает наличие источника излучения (светодиод) и приемника излучения (фотодиод). Работают они, как правило, в области инфракрасного излучения (ИК-излучение), при этом излучение должно проходить через контролируемую среду. Источник ИК-излучения испускает узконаправленный световой поток определенной мощности, который, пройдя через контролируемое пространство, попадает на приемник ИК-излучения. При отсутствии дыма мощность ИК-излучения, измеренная приемником, будет равна мощности, излучаемой источником (рис. 2).

Рисунок 2. Схема контроля среды на наличие дыма

При появлении в контролируемой среде дыма, мощность излучения, измеренная приемником, уменьшится за счет ослабления светового потока его частицами (рис. 3) в соответствии с законом Бугера – Ламберта – Бера7:

Ф = Ф ∙ ,

где:

• Ф – световой поток, испускаемый источником ИК-излучения;
• Ф0 – световой поток, регистрируемый приемником ИК-излучения;
• k – коэффициент пропорциональности (характеризует степень ослабления светового потока);
• с – концентрация дыма;
• L – расстояние между источником и приемником дымового пожарного извещателя.

Рисунок 3. Схема обнаружения дыма на основе регистрации изменения оптических средств среды, вызванного поглощением частицами дыма инфракрасного излучения

Зафиксированная электронной схемой разность излучаемой и принятой мощности ИК-излучения при достижении установленного порога является первичным электрическим сигналом задымления контролируемого пространства. В основе технологии обнаружения пожара на основе регистрации изменений оптических свойств среды, вызванных диффузным рассеянием различных видов излучения частицами дыма, лежит теория рассеяния световой волны частицами малых размеров, разработанная Густавом Ми8 в 1908 году. Эта технология реализуется при помощи закрытой от наружного света дымовой камеры и расположенной в ней оптопары, состоящей из светодиода (излучатель) и фотодиода (фотоприемник), работающих в ИК-диапазоне (рис. 4).

Рисунок 4. Размещение оптопары в дымовой камере извещателя пожарного дымового оптико-электронного точечного

В отсутствие дыма конструкция камеры и размещение светодиода и фотодиода исключают прямое или отраженное попадание ИК-луча, формируемого светодиодом, на фотодиод. Частицы дыма, появившись в контролируемом пространстве, проникают в дымовую камеру, где частицы ИК-излучения, встречаясь с ними и отражаясь от них, изменяют направление своего движения, определяемого диаграммой направленности излучения. Это приводит к рассеянию ИК-излучения, и часть его начинает попадать на фотодиод (рис. 5).

Рисунок 5. Рассеяние ИК-луча в дымовой камере частицами дыма

Инфракрасное излучение, регистрируемое фотодиодом, приводит к изменению его проводимости, а следовательно, и к изменению сигнала на выходе электронной схемы, элементом которой он является. Амплитуда этого сигнала будет зависеть от концентрации дыма (оптической плотности среды) в камере. Кроме вышеописанной технологии обнаружения дыма на основе регистрации изменений оптических свойств среды, вызванных диффузным рассеянием различных видов излучения его частицами, разработана и технология бескамерного обнаружения. Одна из схем ее реализации приведена на рис. 6.

Рисунок 6. Структурная схема бескамерного обнаружения дыма на основе регистрации изменений оптических свойст среды, вызванных диффузным рассеянием различных видов излучения его частицами

Все необходимые элементы схемы размещены на одной плате в закрытом корпусе, в котором предусмотрены технологические отверстия для элементов оптопары, защищенные прозрачным поликарбонатом. Это позволяет полностью решить проблему борьбы с механическими помехами (пыль, мелкие насекомые). Для борьбы с помехами, которые могут быть вызваны попаданием на фотодиод посторонних источников света, применена схема широкополосной модуляции полезного сигнала. Широкополосный сигнал S1(t) занимает полосу частот, во много раз превосходящую полосу частот, характерную для информационного сигнала S2(t). Для получения широкополосного сигнала используется генератор микросекундных импульсов ПСП.

Все естественные и искусственные источники света имеют известный ограниченный спектр излучения, поэтому при попадании этих сигналов на фотодиод при последующей обработке в приемном тракте их легко отличить от сигнала, сформированного ПСП. Из математики известно, что при перемножении сигнала, описываемого функцией S(t) самого на себя, на выходе перемножающего устройства всегда будет присутствовать постоянная составляющая. Результат перемножения двух сигналов называется корреляционной функцией K(t), и она максимальна для сигналов, одинаковых по всем параметрам. Для ортогональных сигналов K(t) имеет значение, равное нулю.

На этой основе и происходит выделение полезного сигнала о наличии дыма в контролируемом пространстве. На вход светодиодного излучателя с модулятора-перемножителя поступает сигнал, полученный перемножением широкополосного сигнала S1(t) и модулирующего вспомогательного сигнала S2(t). Рассеянный частицами дыма сигнал S1(t) ∙ S2(t) попадает на фотодиод, а вместе с ним и сигнал от помехи N(t) при ее наличии. В результате с выхода фотодиода на вход блока выделения полезного сигнала поступает сигнал S1(t) • S2(t) + N(t). Вместе с этим сигналом от ПСП поступает широкополосный сигнал S1(t).

В блоке выделения полезного сигнала происходит перемножение поступивших сигналов и с помощью последующей узкополосной фильтрации выделяется сигнал S2(t), по уровню которого по тем или иным критериям принимается решение об обнаружении пожара и формировании выходного сигнала в требуемом виде. Сигнал от помехи, создаваемый внешними источниками света, не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра, настроенного на выделение сигнала S2(t).

При всех достоинствах бескамерной технологии обнаружения дыма необходимо отметить, что на сегодняшний день в системах пожарной автоматики она не имеет широкого применения, в первую очередь из-за более высокой стоимости схемного решения. Еще одним перспективным направлением повышения избирательности при обнаружении дыма на основе регистрации изменений оптических свойств среды, вызванных диффузным рассеянием различных видов излучения его частицами и борьбы с помехами, является применение двухволновой технологии. Она основана на неравномерности изменения интенсивности рассеяния для красного (Ркр) и синего света (Рсин) видимого спектра частицами размером до 1 мкм (частицы дыма) (рис. 7).

Рисунок 7. Зависимость уровня интенсивности рассеяния излучения красного и синего цвета частицами дыма

При увеличении размера частиц до 1 мкм и более (характерны для пыли и паров аэрозоля) интенсивность рассеяния синего цвета в зоне прямого отражения перестает превосходить интенсивность рассеяния красного цвета (рис. 8). Следовательно, фиксируя данное соотношение, можно принять решение об обнаружении в контролируемой среде частиц, не являющихся продуктами горения.

Рисунок 8. Зависимость отношений уровней интенсивности рассеяния излучения синего цвета к красному от размера частиц дыма, пыли и паров аэрозоля

В схемах реализации двухволновой технологии светодиоды синего и красного излучения размещаются в непосредственной близости друг от друга и попеременно работают на один фотоприемник (рис. 9).

Рисунок 9. Схема размещения излучателей и приемника при двухволновой технологии обнаружения дыма

Порогом принятия решения о присутствии посторонних продуктов в дымовой камере разработчики установили соотношение уровней интенсивности рассеяния для этих двух цветов (синий/красный), равное 1,4, как было показано ранее на рис. 7. Технология обнаружения пожара на основе регистрации изменений ионизационного тока основана на свойстве ионизированного воздуха притягивать частицы дымового потока.

Это очень эффективная технология обнаружения пожара, протекающего с выделением дыма, которая позволяет обнаруживать загорание на самой ранней его стадии по появлению летучих частиц реакции горения, реагировать на любой их размер и цвет (серый и черный дымы). Данная технология может быть реализована с применением радиоизотопного или электроиндукционного способа получения заряженных частиц (ионов). Одним из основных элементов устройства для обнаружения дыма радиоизотопным способом является ионизационная камера (рис. 10).

Рисунок 10. Ионизационная камера

Основными элементами ионизационной камеры являются миниатюрный источник радиоизотопов Pu-239, а также катод и анод, на которые подается постоянное напряжение. В отсутствие дыма в контролируемом пространстве в результате работы источника радиоизотопов воздух в ионизационной камере ионизируется, поэтому под действием приложенного напряжения между электродами возникает электрический ток (ток ионизации).

Несмотря на высокую эффективность обнаружения загораний по наличию дыма радиоизотопным способом, в России на сегодняшний день его применение крайне ограничено и находит место только на объектах атомной промышленности. Это обусловлено наличием у населения предвзятого отношения к использованию радиоактивных элементов (радиофобия) в непосредственной близости к рабочему месту, месту проживания и так далее, а также довольно сложным и затратным процессом дезактивации и утилизации отслуживших свой срок источников радиоактивного излучения, в качестве которых используются плутоний (Pu) или америций (Am). При обнаружении задымления с использованием электроиндукционного способа производится ионизация частиц дыма униполярным коронным разрядом в измерительной трубке (рис. 11).

Рисунок 11. Измерительная трубка (газоход): 1 – зарядная камера; 2 – измерительная камера; 3 – измерительный электрод

Аэрозольные частицы засасываются из окружающей среды в измерительную трубку (газоход) при помощи малогабаритного электрического насоса и попадают в зарядную камеру. Подвергнувшись в зарядной камере воздействию униполярного коронного разряда, частицы приобретают объемный электрический заряд и, двигаясь далее по газоходу, попадают в измерительную камеру, где наводят на ее измерительном электроде электрический сигнал, пропорциональный объемному заряду частиц и, следовательно, их концентрации.

Сигнал с измерительной камеры попадает в предварительный усилитель и далее в блок обработки и сравнения сигнала. Электронная схема осуществляет селекцию сигнала по скорости, амплитуде и длительности и выдает сигнал о наличии дыма при превышении заданного порога. Это направление является новым в пожарной автоматике, поэтому говорить о массовом применении данного способа для обнаружения пожаров по выделяющемуся дыму не приходится.