Перейти на Sec.Ru
Рейтинг@Mail.ru

28 февраля 2008

И. Неплохов. Интеллектуальное развитие пожарных извещателей.

И. Неплохов

Пожарные извещатели определяют эффективность работы системы пожарной сигнализации. В общем случае наиболее эффективными пожарными извещателями считаются дымовые пожарные извещатели, они обнаруживают пожароопасную ситуацию на этапе тления материалов и обеспечивают реальную защиту жизни людей и материальных ценностей [1]. По требованиям НПБ 110-03 «Перечень зданий, сооружений, помещений и оборудования, подлежащих защите автоматическими установкам пожаротушения и автоматической пожарной сигнализацией» большинство типов зданий и помещений следует оборудовать дымовыми пожарными извещателями. Пороговый дымовой пожарный извещатель с дискретным выходным сигналом (по НПБ 65-97 «Извещатели пожарные дымовые оптико-электронные. Общие технические требования. Методы испытаний») должен формировать на приемно-контрольный прибор (ПКП) сигнал тревоги при достижении определенного значения удельной оптической плотности среды. Адресно-аналоговый пожарный извещатель с аналоговым выходным сигналом (по НПБ 65-97) должен передавать на адресно-аналоговый приемно-контрольный прибор (ААПКП) текущие значения удельной оптической плотности среды. ААПКП обрабатывает информацию от адресно-аналоговых извещателей в реальном масштабе времени и в нем заключена основная часть интеллекта. ААПКП имеет огромные возможности по накоплению и обработке информации, практически, как у персонального компьютера. Современный уровень развития микроэлектроники позволяет наделить «интеллектом» даже пороговые извещатели безадресные и адресные.

Термин «интеллектуальный пожарный извещатель» в последнее время достаточно часто встречается в печати и в рекламных материалах многих производителей, хотя в нормативной базе он отсутствует. Интеллект в пожарном извещателе – это наличие «мозгов» и «памяти». «Мозги» - это процессор, который обрабатывает информацию, поступающую от сенсора, по определенному алгоритму, и накапливает ее в энергонезависимой памяти для дальнейшего использования. Цель построения интеллектуальных систем в данном случае – это сокращение времени обнаружения пожароопасной ситуации без ложных тревог, т.е. повышение чувствительности извещателей при снижении вероятности ложной тревоги. Очевидно большие возможности интеллектуализации, по сравнению с одноканальными извещателями, имеют комбинированные и мультиканальные извещатели, в которых обрабатывается больший объем информации [2].

Оптические дымовые извещатели первого поколения

Рис. 1. Принцип действия дымового оптико-электронного извещателя

Дымовые оптико-электронные пожарные извещатели в соответствии с классификацией по НПБ 76-98 «Извещатели пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний» имеют условное обозначение ИП212-ХХ, где ХХ – порядковый номер разработки. Во всех извещателях этого класса используется эффект рассеяния излучения на частицах дыма. Соответственно имеется источник излучения, который освещает определенную часть дымовой камеры, и фотоприемник, направленный в эту зону (рис. 1). Когда отраженный сигнал достигает установленного порога, формируется сигнал «Пожар». Конструкция дымовой камеры и расположение излучателя и фотоприемника должны не только исключать прямое попадание излучения на фотоприемник, но и снижать до минимума уровень фонового сигнала, переотраженного от ее стенок. Причем уровень фонового сигнала не должен значительно увеличиваться в процессе эксплуатации при запылении дымовой камеры. Кроме того, необходимо исключить влияние внешнего освещения, обеспечить защиту от электомагнитных помех, от влаги, от коррозии и даже от мелких насекомых. Чувствительность не должна зависеть от температуры окружающей среды, от скорости воздушного потока, от напряжения питания и т.д. Все это определяет сложность реализации на первый взгляд достаточно простого принципа дымоопределения и длительный процесс развития конструкции и схемотехнических решений дымового извещателя.

Во времена разработки первых отечественных оптических извещателей отсутствовала не только специализированная элементная база, но не было даже стандартных светодиодов и фотодиодов. Так например, в извещателе дымовом фотоэлектрическом ИДФ-1М в качестве оптопары использовались лампа накаливания типа СГ24-1,2 и фоторезистор типа ФСК-Г1. Это определяло низкие технические характеристики извещателя ИДФ-1М и слабую защиту от внешних воздействий: инерционность срабатывания при оптической плотности 15 – 20 %/м составляла 30 с, напряжение питания 27±0,5 В, ток потребления более 50 мА, масса 0,6 кг, фоновая освещенность до 500 лк, скорость воздушного потока до 6 м/с.

В комбинированном дымовом-тепловом извещателе ДИП-1 уже были применены светодиод и фотодиод, причем расположенные в вертикальной плоскости (рис. 2). Здесь уже использовано не непрерывное излучение, а импульсное: длительность 30 мкс, частота 300 Гц. Для защиты от помех было применено синхронное детектирование, т.е. вход усилителя был открыт только во время излучения светодиода [3]. Это обеспечило более высокую защиту от помех и значительно улучшило характеристики извещателя: инерционность снизилась до 5 с при оптической плотности 10%/м, т.е. в 2 раза меньшей, масса снизилась в 2 раза, допустимая фоновая освещенность увеличилась в 20 раз, до 10000 лк, допустимая скорость воздушного потока увеличилась до 10 м/с. В режиме «Пожар» включался светодиодный индикатор красного цвета. Для передачи сигнала тревоги в извещателе ДИП-1, как и в извещателе ИДФ-1М использовалось реле, что определяло значительные токи потребления: более 40 мА в дежурном режиме и более 80 мА в тревоге, при напряжении питания 24 ±2,4 В и необходимость использования раздельных сигнальных цепей и цепей питания.

Рис. 2. Вертикальное расположение оптопары в извещателе ДИП-1

Дымовой оптический извещатель 1981 года ИП212-2 (ДИП-2) уже имел многие технические черты, которые сохранили многие современные извещатели. Прежде всего необходимо отметить, что использование более современной элементной базы и новых схемотехнических решений позволило отказаться от реле и разработать извещатель для 2-х проводного подключения к приборам типа ППК-2, «УОТС» и др. Ток потребления в дежурном режиме был снижен до 0,5 мА, а диапазон рабочих напряжений питания расширен до 24±10 В. При активизации извещателя ИП212-2 ток потребления повышался до 5 – 20 мА и включался красный светодиод. Чувствительность извещателя ДИП-2 была повышена до 5%/м (0,22 дБ/м) удельной оптической плотности и уже приближалась к действующим требованиям по НПБ 65-97, по которым чувствительность порогового извещателя должна выбираться пределах 0,05 – 0,2 дБ/м. Длительность импульсов светодиода оставалась равной 30 мкс, а частота была снижена до 2 Гц. Для защиты от помех так же использовалось синхронное детектирование и активизация извещателя происходила только при обнаружении подряд 4-х импульсов, превышающих установленный порог.

Основным недостатком этого извещателя, как и всех ранее рассмотренных, было отсутствие стабилизации уровня чувствительности и ее изменения. Другим существенным недостатком извещателя ДИП-2, как следующего за ним ДИП-3 были неэффективные вертикальные дымовые камеры и дымозаходы (рис. 3, 4), несогласованные с горизонтальными направлениями движения дыма под перекрытием. Несмотря на это, конструкции извещателей ДИП-2, ДИП-3 дожили до наших дней. Да и в плане обработки информации в значительной части современных отечественных извещателей все так же используется только накопление в приемном тракте 4-х импульсов. Причем в отличии от ДИП-2, ДИП-3 во многих из них полностью исключена экранировка фотодиода и электроники, несмотря на то, что уровни электромагнитных помех в настоящее время, по сравнению с 80-ми годами, возросли на порядок.

Рис. 3. Конструкция извещателя ДИП-2

Рис. 4. Конструкция извещателя ДИП-3.

Чувствительность и время обнаружения пожара

Отсутствие в отечественных нормах требований по контролю главного параметра дымового извещателя – чувствительности в процессе эксплуатации, определил недостаток развития отечественных извещателей в этом направлении. Сложность и дороговизна оборудования для измерения чувствительности точечного дымового извещателя в абсолютных единицах усугубляет проблему. Хотя понятно, что на этапе эксплуатации крайне важно контролировать чувствительность извещателей и ее соответствие заданному диапазону. Нельзя надеяться на раннее обнаружение очага, при снижении чувствительности в несколько раз. Значительное повышение чувствительности также нежелательно, т.к. при этом во многих случаях увеличивается вероятность ложных тревог.

Как зависит время обнаружения пожар от чувствительности дымового извещателя? Так ли уж важно на практике обеспечивать чувствительность в пределах требований НПБ 65-97, от 0,05 дБ/м до 0,2 дБ/м? Достаточно просто провести небольшой эксперимент, который дает исчерпывающий ответ на этот вопрос. В верхней части замкнутого пространства небольшого объема (достаточно 0,1 – 0,15 м3) устанавливаются дымовые пожарные извещатели с различной чувствительностью, тлеющий фитиль на штативе (рис. 5) и один, или лучше два вентилятора для равномерного распределения дыма по всему объему. Измерим время срабатывания извещателей и сравним его с их чувствительностью. Испытывались 3 дымовых извещателя ПРОФИ-О (ИП212-73) с запрограммированными при помощи МПДУ чувствительностями 0,08 дБ/м, 0,16 дБ/м и с заводской установкой 0,12 дБ/м. А для сравнения были взяты два серийных извещателя ИП212-XX и ИП212-YY двух производителей Х и Y с чувствительностью 0,31 дБ/м и 0,58 дБ/м – можно и такие «уникальные» образцы встретить на российском рынке (измерение чувствительности проводилось в дымовом канале компании Систем Сенсор). Причем извещатель ИП212-YY с чувствительностью 0,58 дБ/м, т.е. 12,5 %/м – это не ДИП-1, как можно было бы подумать исходя из чувствительности, а одна из последних новинок.

Рис. 5. Расположение фитиля на кронштейне .

Тип фитиля и величина задымляемого объема определяют скорость увеличения удельной оптической плотности среды. В эксперименте использовался фитиль из хлопка круглого сечения с массой 7 г на 1 метр, причем для эксперимента потребовалось всего лишь несколько сантиметров фитиля. В объеме равном примерно 0,13 м3 извещатель ПРОФИ-О (ИП212-73) с чувствительностью 0,08 дБ/м активизировался через 1 мин 25 с от начала задымления (табл. 1), а извещатель ИП212-YY с чувствительностью 0,58 дБ/м, т.е. почти в 3 раза ниже допустимого по НПБ 65-97 предела, активизировался через 12 мин 5 с! Вот такая разница в эффективности, почти в 10 раз увеличивается время обнаружения очага. В реальных условиях дымовой извещатель с низкой чувствительностью вообще может не сработать: дымозаход и камера забьются сажей, или выйдет из строя из-за повышения температуры, или раньше шлейф сгорит и т.д. К тому времени происходит задымление всего помещения, повышается концентрация ядовитых веществ, что максимально затрудняет эвакуацию и делает невозможным ликвидацию очага без профессионального пожаротушения.

Какой смысл в загрублении чувствительности современного дымового пожарного извещателя до таких значений? Все достаточно просто: зачем усложнять конструкцию дымовой камеры, вводить экранировку, использовать микропроцессоры, когда от ложняков можно «защититься» снижением чувствительности и при этом обеспечить максимально низкую цену извещателя. Не многим лучше извещатели с чувствительностью 0,3 – 0,4 дБ/м: время обнаружения очага при их использовании увеличивается в 3 – 5 раз.

Таблица 1

Тип извещателя  ИП212-73 ИП212-73 ИП212-73 ИП212-XX ИП212-YY
Чувствительность, дБ/м 0,080,120,16  0,31 0,58
Время активизации, с 85128158 347725

Если чувствительность извещателя 0,1 дБ/м, то он активизируется при незначительном задымлении среды, при ослаблении оптического сигнала на дистанции в 1 метр примерно на 2,3%, соответственно на дистанции 10 метров на 20,5%. По западным экспериментальным оценкам, при удельной оптической плотности дыма 0,1 дБ/м видимость составляет примерно 100 метров [4]. Учитывая, что на первом этапе развития очага, задымление присутствует только в верхней части помещения, сигнал от дымового извещателя со стандартной чувствительностью порядка 0,1-0,12 дБ/м должен давать большие возможности по пресечению развития пожара, защите людей и имущества. Западные производители обычно указывают конкретное значение чувствительности и его допуск на этикетке извещателя и много внимания уделяют обеспечению ее стабильности и возможности контроля при эксплуатации.

На одном ответственном объекте тестирование дымовых извещателей проводилось с использованием дыма от тления текстильных материалов. Некоторые извещатели не срабатывали даже при близком расположении тестового очага, что объяснялось их низкой чувствительностью. Однако вместо того чтобы забраковать эти извещатели, обслуживающий персонал «добивался» их сработки изолируя извещатель и очаг от внешней среды при помощи полиэтиленового рукава и повышая тем самым концентрацию дыма до нереальных величин. Анализируя результаты измерений приведенные в таблице 1, можно сделать заключение, что время активизации дымового извещателя примерно пропорционально его чувствительности, выраженной в дБ/м. При тестовых пожарах по ГОСТ Р 50898-96 “Извещатели пожарные. Огневые испытания» и по европейскому стандарту EN54-7 «Дымовые детекторы – точечные детекторы, использующие рассеяние света, передачу света или ионизацию» в помещении площадью 70 м2 также наблюдается линейное увеличение удельной оптической плотности, измеренной в дБ/м, в верхней части помещения. Очаг в виде тлеющих хлопковых фитилей используется в тестовых пожарах ТП-3 и TF-3.

Возможности автотестирования

Зарубежные пороговые дымовые извещатели обеспечивают контроль ухода чувствительности, что позволяет своевременно проводить техническое обслуживание и обеспечивает высокий уровень защиты объектов. Вернемся к принципу действия оптического извещателя. При отсутствии дыма минимальный уровень сигнала от светодиода должен поступать на фотодиод. Уровень фонового сигнала определяет минимальный уровень концентрации дыма, величина которой может быть измерена адресно-аналоговым извещателем. Для уменьшения переотражений используются свето и фотодиоды с узкими диаграммами направленности и отъюстированными оптическими осями, дымовая камера обычно имеет заостренные боковые пластинки и рифленые под определенными углами крышки, что значительно уменьшает площадь отражающей поверхности по сравнению со сплошной стенкой (рис. 6). Кроме того, используется исключительно пластик черного цвета с матовой поверхностью. Оптимальная форма дымовой камеры одновременно обеспечивает свободный проход воздуха и значительное ослабление излучения от внешних источников света, выравнивание чувствительности по различным направлениям воздушного потока.

Рис. 6. Дымовая камера извещателей 2112/24, 2151, 2251

Значение фонового сигнала фотодиода в дежурном режиме характеризует состояние дымового извещателя. Когда поверхность дымовой камеры покрывается пылью серого цвета, фоновый сигнал на выходе приемного тракта повышается и происходит увеличение чувствительности. При отсутствии технического обслуживания сначала появляются ложные тревоги, а со временем фоновый сигнал может достигнуть порога «Пожар» и извещатель перестанет реагировать на сигнал «Сброс» с ПКП. С другой стороны при загрязнении оптопары, снижении уровня излучения светодиода, уменьшении усиления приемного тракта и т.п. происходит уменьшение чувствительности и снижение фонового сигнала. Устанавливается диапазон изменения фонового сигнала, который соответствует нормальной работе извещателя: максимально допустимое значение фонового сигнала обычно называют верхним уровнем неисправности, а минимально допустимое – нижним уровнем неисправности. Во многих зарубежных дымовых и дымовых-тепловых извещателях эти дополнительные пороги используются для определения неисправности извещателя (рис. 7). Например, при достижении любого порога нижнего или верхнего выключается индикация дежурного режима – включение светодиода с периодом 10 с. Такая функция присутствовала в извещателях System Sensor прошлого века 2112/24, 2451 и других, что позволяло контролировать чувствительность процессе эксплуатации и обеспечивало экономию затрат на техническое обслуживание.

Рис. 7. Дополнительные пороги для контроля чувствительности

Кроме того, при необходимости можно контролировать уход начального значения фонового сигнала в процессе эксплуатации и задать более жесткие рамки на изменение чувствительности. На извещателях имеется специальный разъем, через который подключается универсальный адаптер MOD400R. Он преобразует импульсный сигнал в постоянное напряжение для измерения стандартным вольтметром (рис. 8). На этикетке извещателя указываются допустимые пределы изменения напряжения. Например, для дымового извещателя 2112/24S диапазон MOD400R составляет 0,28 – 1,34 вольт, при исходном значении около 0,5 вольт. Из чего следует, что допускается большее изменение в сторону увеличения чувствительности, чем в сторону снижения.

Рис. 8. Измерение фонового сигнала извещателя 2112/24S

В современных интеллектуальных извещателях с аналого-цифровыми преобразователями имеется возможность не только фиксировать выход чувствительности за допустимые пределы, но и стабилизировать ее на исходном уровне. Медленные изменения чувствительности компенсируются соответствующей корректировкой порога срабатывания (рис. 9). Причем используется сложный алгоритм, в котором реализована зависимость изменения чувствительности от величины фонового сигнала. Простая компенсация изменения фонового сигнала не дает требуемых результатов. Кроме того, должна учитываться вероятность медленного нарастания оптической плотности дыма при тлеющих пожарах в реальных условиях. Использование эффективной конструкции дымовой камеры, стабилизация и контроль чувствительности обеспечивают в современных дымовых извещателях возможность корректировки инсталлятором чувствительности без риска выхода за допустимые пределы по НПБ 65-97. Например, в интеллектуальных извещателях неадресных серии ПРОФИ и адресных серии ЛЕОНАРДО заводской уровень чувствительности 0,12 дБ/м, может быть перепрограммирован при помощи многофункционального пульта дистанционного управления МПДУ на 0,08 дБ/м, или на 0,16 дБ/м в зависимости от условий эксплуатации. Использование высокой чувствительности несколько сокращает диапазон компенсации и в равных условиях потребует более частого технического обслуживания, пониженная чувствительность наоборот позволяет увеличить периоды между техническим обслуживанием. Следовательно, повышенную чувствительность желательно использовать в достаточно чистых помещениях, а в относительно пыльных зонах можно устанавливать пониженную чувствительность.

Рис. 9. Компенсация изменения чувствительности

Уровень сигнала, соответствующий оптически чистой среде и величина компенсации хранятся в двоичном коде в энергонезависимой памяти, и не стираются даже при длительном отключении питания. При помощи пульта МПДУ можно оценить степень запыления дымовой камеры в процентах от диапазона автокомпенсации, равного 100%, дискрет индикации 10% (рис. 10). В адресных и адресно-аналоговых системах автоматически фиксируется достижение границ автокомпенсации и на дисплее контрольного прибора индицируется соответствующее сообщение. Использование адаптивного порога, кроме сохранения уровня чувствительности в процессе эксплуатации, позволяет увеличить интервалы времени между техническим обслуживанием, спрогнозировать сроки его проведения и обеспечить более высокий уровень защиты от помеховых воздействий.

Рис. 10. Индикация уровня запыления на дисплее МПДУ

Например, в серии интеллектуальных извещателей ПРОФИ используется специализированная микросхема с 8-и разрядным (256 дискретов) аналогово-цифровым преобразователем и с энергонезависимой памятью EEPROM емкостью 128 бит. Объем EEPROM позволяет, кроме хранения данных для стабилизации чувствительности, записать дату выпуска извещателя, дату последнего технического обслуживания, режим работы извещателя. Можно запрограммировать мигание зеленого индикатора в дежурном режиме. Тогда при достижении границ автокомпенсации дрейфа чувствительности мигание прекратиться, как в предыдущих сериях извещателей System Sensor. В ПКП с малыми токами шлейфа в дежурном режиме можно включать индикацию дежурного режима в последнем извещателе шлейфа, вместо использования УКШ. Если индикация в дежурном режиме не запрограммирована, то запыленные извещатели легко выявляются при тестировании лазерным тестером ЛТ: активизируются только извещатели с нормальной чувствительностью.

Tornello

Еще большие возможности реализуются в комбинированных интеллектуальных пожарных извещателях. Комбинированные дымовые-тепловые извещатели предыдущего поколения, как правило имели максимальный тепловой канал на 50 – 70°С. Сигнал "Пожар" формировался по превышению порога в любом из каналов, то есть реализовалась логика работы "или". Функционирование таких извещателей аналогично работе отдельных одноканальных извещателей соответствующих типов при тех же условиях. Качественное улучшение характеристик было получено при совместной обработке информации в цифровом виде по различным каналам. Интеллектуальные мультиканальные извещатели на базе специализированных процессоров обеспечивают измерение текущих значений контролируемых факторов в широких пределах, что позволяет реализовать более сложную и эффективную логику работы. Например, сигнал "Пожар" может формироваться при достижении определенной средневзвешенной суммарной величины нескольких факторов еще до того момента, когда какой-либо из факторов в отдельности достигнет порогового значения. Так, в интеллектуальном дымовом-тепловом извещателе проводится измерение величины удельной оптической плотности дыма и скорости повышения температуры в относительных единицах. Даже при наличии сравнительно небольшой оптической плотности дыма повышение температуры со скоростью несколько градусов в минуту с высокой вероятностью соответствует пожароопасной обстановке. Данная логика работы комбинированного извещателя позволяет значительно сократить время обнаружения возгораний, сопровождающихся одновременно несколькими факторами, и повысить способность обнаружения "быстрых" пожаров. В комбинированном извещателе с оптическим дымовым каналом использование информации по тепловому каналу обеспечивает увеличение чувствительности по "черным" дымам при горении пластика, изоляции кабеля, ЛВЖ (очаги ТП-4, ТП-5 по ГОСТ Р-50898) и т.д., до уровня дымового ионизационного извещателя. Примерами таких интеллектуальных извещателей являются комбинированные пожарные извещатели неадресные ИП212/101-4-A1R "ПРОФИ-ОТ" (рис. 11) и адресные ИП212/101-3А-A1R "ЛЕОНАРДО-ОТ".

Рис. 11. Комбинированный интеллектуальный пожарный извещатель
ИП212/101-4-A1R "ПРОФИ-ОТ"

Современные достижения микроэлектроники позволяют значительно развить интеллектуальный уровень пожарных извещателей и получить качественно более высокий уровень пожарной защиты. Оптимальные алгоритмы обработки могут обеспечить раннее достоверное обнаружение пожароопасной обстановки на объекте. Высокий уровень защиты от помех путем экранировки, за счет сложной обработки сигналов и позволяет практически полностью исключить ложные тревоги от электромагнитных помех. Стабилизация уровня чувствительности, возможность ее перепрограммирования на высокую или на пониженную в рамках требований НПБ 65-97 позволяет адаптировать извещатели к условиям эксплуатации. Кроме того, при использовании интеллектуальных пожарных извещателей значительно упрощается процедура технического обслуживания.

Литература

  1. System Smoke Detectors. APPLICATIONS GUIDE. System Sensor, 2002.
  2. Guide to Conventional Fire Systems. System Sensor Europe, 2004.
  3. Ф.И.Шаровар. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985. – 375 с., ил.
  4. Д. Драйздейл. Введение в динамику пожаров. М.: Стройиздат, 1990. – 424 с., ил.

Oб авторе: Неплохов И.Г., к.т.н., начальник отдела технической поддержки компании "Систем Сенсор Фаир Детекторс"

Показать все статьи автора >>

Источник: System Sensor Fire Detector

Просмотров: 1665

Ссылки по теме

System Sensor

Ваши комментарии:

Для того, чтобы оставлять коментарии, Вам нужно авторизоваться на Sec.Ru. Если У Вас еще нет аккаунта, пройдите процедуру регистрации.


Автор

Информация

  • Снимай крутую видеорекламу - выкладывай на Sec.Ru!

    Рекламный ролик - один из самых эффективных способов донесения информации. И он отлично подходит для рекламирования любой продукции, в т.ч. и продукции рынка систем безопасности.
    Поэтому редакция Портала решила составить свой рейтинг лучших рекламных видеороликов. Все они разные и все чем-то покоряют: красотой, задумкой, стилем съемки, посылом, необычным финалом.
    Некоторые из них язык не повернется назвать иначе как шедевром короткого метра. Смотрим, наслаждаемся, делаем заметки, учимся творить рекламу правильно.
    Если Вы хотите выложить видеоролик о своей продукции на Sec.Ru, пишите о своем желании на adv@sec.ru!

    Картинка: Jpg, 100x150, 16,47 Кбайт

    Мотор!

Отраслевые СМИ

Все права защищены 2002 – 2018
Rambler's Top100 �������@Mail.ru