Перейти на Sec.Ru
Рейтинг@Mail.ru

07 мая 2014

Дымовые оптико-электронные точечные пожарные извещатели. Основные схемные решения. Часть 1.2. Блок-схемы

Баканов Владимир
главный конструктор ЧП «АРТОН»

 

Продолжая тему, начало которой было положено в [1], необходимо отметить, что амплитудное детектирование сигнала на выходе усилителя фото-ЭДС является необходимым, но не достаточным условием достоверного выявления задымленности пространства с заданной удельной оптической плотностью воздуха. В условиях работы со значительным уровнем электромагнитных помех амплитуда импульсов регулярной помехи на выходе усилителя может превышать пороговое значение напряжения переключения компаратора. Тогда возможен ложный переход извещателя в состояние пожарной тревоги даже при чистом воздухе.

Улучшить работу извещателя в условиях электромагнитных помех может принцип синхронного детектирования. В радиотехнике синхронное детектирование используется не один десяток лет. Синхронное детектирование основано на операции умножения гармонических высокочастотных сигналов с последующей низкочастотной фильтрацией [2]. Принцип синхронного детектирования сигналов использовался в самых первых дымовых пожарных извещателях отечественного производства, принципиальные схемы которых раскрыты в книге д. т. н. Ф. И. Шаровара [3].

Так в дымовом пожарном извещателе ДИП-1, блок-схема которого представлена на рис. 1, используется одновременно и амплитудный и синхронный детектор 6. Исследуемый сигнал поступает с выхода усилителя 5, а опорный сигнал с резистора R 26, на котором выделяются импульсы тока через ИК светодиод 3.

 

 

Рис. 1

Где:

1 – генератор импульсов;

6 – амплитудный и синхронный детектор;

2 – камера дымового сенсора;

7 – блок выходного каскада;

3 – ИК светодиод;

8 – индикатор состояния;

4 – фотодиод;

9 - контакты блока выходного каскада.

5 – усилитель;

 

 

Обозначение остальных элементов соответствует рис. 2.8 [3]. Электропитание всех функциональных блоков осуществляется от стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне VD1 и резисторе R9. Блок-схема амплитудного и синхронного детектора 6 представлена на рис. 2.

 

Рис.2

 

Работа этого узла подробно описана на основе принципиальной схемы в [3] и [4].

Однако при такой схеме обработки сигнала извещатель не имел памяти сработки. Если по каким-то причинам уровень сигнала на выходе усилителя мог уменьшиться, то на выходе низкочастотного фильтра начинало падать напряжение, пока не произойдет переключение блока выходного каскада в исходное состояние. При подключении к одному шлейфу пожарной сигнализации нескольких ДИП-1 нельзя было определить, какой конкретно извещатель подал на прибор приемно-контрольный сигнал пожарной тревоги.

Этот недостаток был устранен в извещателе ДИП-2, блок-схема которого представлена на рис. 3.

 

Рис. 3

Где:

1 – генератор импульсов;

6 – амплитудный и синхронный детектор;

2 – камера дымового сенсора;

7 – блок выходного каскада;

3 – ИК светодиод;

8 – индикатор состояния;

4 – фотодиод;

9 - контакты блока выходного каскада;

5 – усилитель;

10 – ограничитель тока.

 

Обозначение остальных элементов соответствует рис. 2.13 [3]. Электропитание извещателя уже осуществлялось через ограничитель (стабилизатор) тока на двух транзисторах [5]. Стабилитрон VD5 обеспечивал стабилизацию амплитуды импульсов на выходе генератора. Электропитание усилителя осуществлялось через отдельный выпрямитель на диоде VD2 и конденсаторе С1.

В этом изделии амплитудный и синхронный детектор был выполнен особым образом: к выходу умножителя был подключен не низкочастотный фильтр, а бистабильный элемент (триггер). Блок-схема этого узла представлена на рис. 4.

 

Рис. 4

Именно благодаря использованию бистабильного элемента ДИП-2 сохранял состояние пожарной тревоги даже после прекращения воздействия задымленности пространства, в котором находится извещатель.

В конце 80 годов прошлого века на нескольких предприятиях в разных регионах страны начал производиться пожарный извещатель ИП212-5. Изделие содержало две логические микросхемы К561 ИЕ11 и К561ЛЕ5 и операционный усилитель КР1407 УД2. Схема устройства была приведена в паспорте на это изделие, а также в книге под редакцией к. т. н. В. И. Фомина [6]. Блок-схема этого извещателя представлена на рис. 5.

Работает это устройство следующим образом. При включении питающего напряжения схема сброса устанавливает реверсивный двоичный счетчик в нулевое состояние. По положительным перепадам сигнала на С-входе этого счетчика происходит его переключение в следующее состояние в зависимости от уровня сигнала на его входе ±1. При низком уровне сигнала на входе ±1 счетчик работает в вычитающем режиме. Когда он досчитает до нуля, то сигналом переноса С0 заблокируется счетный вход С.

 

Рис. 5

Где:

1 – генератор импульсов;

8 - фотодиод;

2 – реверсивный двоичный счетчик;

9 – усилитель;

3 – блок выходного каскада;

10 – логический элемент ИЛИ;

4 – индикатор состояния;

11 – узел сброса;

5 - преобразователь напряжение-ток;

12 - резистор;

6 - камера дымового сенсора;

13 – диод;

7 - ИК светодиод;

14 – амплитудный и синхронный детектор.

 

Как только появится уровень логической 1 на входе ±1, то сразу же на выходе переноса С0 установится высокий потенциальный уровень сигнала. Реверсивный двоичный счетчик будет считать в прямом направлении. В момент появления логической 1 на выходе 4 становится активным блок выходного каскада и загорается индикатор состояния.

В этом состоянии пожарной тревоги реверсивный двоичный счетчик может находиться достаточно долго, пока отключением питающего напряжения и последующим включением будет осуществлена установка этого счетчика в исходное состояние. В этом изделии перемножение импульсного сигнала опорной частоты входного сигнала будет осуществляться на входах ±1 и С реверсивного двоичного счетчика. Амплитудное детектирование осуществлялось элементом ИЛИ 10, который был выполнен на транзисторе VT1(см. принципиальную электрическую схему в [6]). Низкочастотную фильтрацию выполнял реверсивный двоичный счетчик. Выход второго разряда реверсивного двоичного счетчика являлся и выходом синхронного детектора. Именно с этого выхода осуществлялось управление блоком выходного каскада, запрет работы генератора импульсов и запрет дальнейшего счета импульсов самим счетчиком. Таким образом, в извещателе ИП 212-5 образца середины 80 годов синхронный детектор был реализован на реверсивном двоичном счетчике.

В середине 90-х годов была проведена модернизация схемы дымового пожарного извещателя ИП 212-5. Логический автомат ИП212-5М был выполнен на двух логических микросхемах: К561ТЛ2 и К561ИЕ10. Принципиальную электрическую схему этого извещателя можно найти в статье автора [7]. Блок-схема ИП212-5М представлена на рис. 6.

 

 height=

Рис. 6

Где:

1, 2 – клеммы извещателя;

9 – усилитель;

3 – выпрямитель;

10 – камера дымового сенсора;

4 – стабилизатор тока;

11 – ИК излучатель;

5 – выходной каскад;

12 – фотоприемник;

6 – индикатор;

13 – преобразователь напряжение-ток;

7 – синхронный детектор;

14 – интегратор;

8 – амплитудный детектор;

15 – генератор;

 

16 – конденсатор;

 

Фотоприемник, излучатель и блок выходного каскада были выполнены на основе типовых решений. Оригинальным в изделии было построение синхронного детектора. Схема синхронного детектора, который использовался в этом извещателе, приведена на рис. 7. Обозначение элементов на этом рисунке соответствует схеме электрической принципиальной извещателя ИП212-5М. Синхронный детектор содержит:

  • интегратор на элементах VD2, R12 и С4;
  • узел сброса;
  • двоичный счетчик DD2.1;
  • два элемента 2И-НЕ DD1.1 и DD1.3.

На первом элементе DD1.1 выполняется функция умножения опорного и исследуемого сигналов, а на двоичном счетчике DD2.1 – функция низкочастотной фильтрации – подсчета количества импульсов. С помощью интегратора осуществлялась задержка переднего фронта тактового импульса генератора, так как из-за низкого быстродействия усилителя импульс на его выходе при задымленности пространства задерживался на несколько десятков микросекунд. При условии логического умножения импульсов опорного частотного сигнала с импульсами, поступающими с выхода усилителя, будут оцениваться только истинные сигналы, вызванные рассеиванием ИК излучения в камере дымового сенсора. Шумовые сигналы, появляющиеся на выходе усилителя фотоприемника в любое другое время периода генератора импульсов, будут всегда сбрасывать двоичный счетчик и он никогда не досчитает до четырех, чтобы стал активным его выход Q2 (OUT).

 

Рис. 7

 

Появившийся в конце прошлого века на российском рынке компонентов систем пожарной сигнализации дымовой пожарный извещатель ИП 212-41М практически повторял блок-схему извещателя ИП212-5М. Главным отличием было небольшое изменение в схеме синхронного детектора, в котором задержка переднего фронта импульса была заменена дифференцированием заднего фронта импульса генератора. Были изменены только связи между элементами синхронного детектора без добавления и без изъятия каких либо элементов. Схема синхронного детектора, который применялся в извещателе ИП 212-41М, представлена на рис.8. Принципиальная электрическая схема этого извещателя приведена в патенте на изобретение Российской Федерации № 2221278 [8]. Обозначения элементов на схеме синхронного детектора соответствует принципиальной схеме извещателя ИП 212-41М.

 

Рис. 8

 

Так как представленный извещатель содержал малое количество элементов и был одним из самых дешевых пожарных дымовых точечных извещателей, то много запатентованных технических решений использовали ИП 212-41М в качестве прототипа. Так в патентах Украины № 75528 [9] и Российской Федерации № 2273886 [10] на изобретения приведена блок-схема пожарного извещателя, которая представлена на рис. 9.

 

Рис. 9

Где:

1 – индикатор;

14 – второй конденсатор;

2, 3 - клеммы извещателя;

15 – первый триггер Шмитта;

4 – выпрямитель;

16 – узел сброса;

5 - выходной каскад;

17 – первый резистор;

6 - стабилизатор тока;

18 – шина электропитания;

7 – первый конденсатор;

19 - ИК излучатель;

8 – транзисторный ключ;

20 - камера дымового сенсора;

9 – первый интегратор;

21 - фотоприемник;

10 – усилитель;

22 – второй триггер Шмитта;

11 – общая шина;

23 – диод;

12 – двоичный счетчик;

24 – второй интегратор;

13 – генератор;

25 – второй резистор.

 

Главным отличием этой блок-схемы от прототипа является наличие второго интегратора 24 между выходом усилителя 10 и компаратором на триггере Шмитта 22, причем второй вход этого триггера Шмитта 22 подключен на шину питания 18 через второй резистор 25. Использование вновь введенных элементов: второго интегратора 24 и резистора 25, а также новых связей между элементами дымового пожарного извещателя позволило повысить стабильность чувствительности извещателя, что было подтверждено соответствующими расчетами и испытаниями.

Представленная на рис.10 блок-схема пожарного извещателя была защищена патентами Украины № 75532 [11] и России № 2273887 [12], хотя отличие от прототипа – извещателя ИП212-41М – было только в одном втором резисторе 23.

 

Рис. 10

Где:

1 – индикатор;

13 – транзисторный ключ

2, 3 - клеммы извещателя;

14 – первый триггер Шмитта;

4 – выпрямитель;

15 – узел сброса;

5 - выходной каскад;

16 – первый резистор;

6 - стабилизатор тока;

17 – ИК излучатель;

7 – шина электропитания;

18 – камера дымового сенсора;

8 – первый конденсатор;

19 - фотоприемник;

9 – общая шина;

20 - усилитель;

10 – двоичный счетчик;

21 - второй триггер Шмитта;

11 – генератор;

22 – диод;

12 – второй конденсатор

23 – второй резистор;

 

Использование вновь введенного второго резистора 23, с его связями и соотношением сопротивления этого второго резистора 23 к сопротивлению первого резистора 16 и к внутреннему сопротивлению выхода логического элемента и внутреннему сопротивлению открытого диода позволило повысить стабильность чувствительности извещателя от изделия к изделию.

Следующее техническое решение, представленное на рис. 11, было также патентами Украины № 9400 [13] и России № 48658 [14] на полезные модели. Особенностью этой схемы является то, что генератор имеет три не связанных между собой выхода. Каждый из этих выходов управляет своими элементами, обеспечивая необходимую длительность импульса, а также сдвиг фаз сигналов друг относительно друга.

 

Рис. 11

Где:

1 – индикатор;

11 – фотоприемник;

2, 3 - клеммы извещателя;

12 – камера дымового сенсора;

4 – выпрямитель;

13 – ИК излучатель;

5 - выходной каскад;

14 – двоичный счетчик;

6 - стабилизатор тока;

15 – генератор;

7 – конденсатор;

16 – схема сравнения;

8 – транзисторный ключ;

17 – узел сброса;

9 – интегратор;

18 – компаратор.

10 – усилитель;

 

 

Нераскрытая на рис. 11 схема сравнения 16 совместно с узлом сброса и двоичным счетчиком выполняет функцию синхронного детектора аналогично схемам, представленным на рис. 7 и 8.

Для повышения достоверности информации получаемой от дымового сенсора, как этого требует классическая литература, в частности [15], необходимо уменьшать импеданс входной цепи усилителя и сужать усиливаемую полосу частот. Именно этим задачам были посвящены патенты на полезные модели Украины № 9923 [16] и Российской Федерации № 54450 [17]. Блок-схема, соответствующая этим критериям, представлена на рис. 12. Обозначение элементов, кроме 19 и 20, соответствует обозначениям элементам, представленных к предыдущему рисунку.

 

Рис. 12

Где: 19 – фильтр высоких частот; 20 - резистор.

 

Фотовольтатическое включение фотодиода 11 [18] позволяет выделить на резисторе 20 нагрузки фото-ЭДС в моменты рассеивания ИК излучения в камере дымового сенсора, а в остальное время не принимать электромагнитные помехи от различных источников из-за малого импеданса этой цепи.

Фильтр высоких частот разрешает проводить усиление импульсов только определенной длительности, что позволяет существенно снизить влияние наводимых помех от сети переменного тока, а также подсветки от естественного источника света. Ведь попадание прямых лучей солнечного света на извещатель может вызвать воздействие на фотодиод даже через черную камеру дымового сенсора.

Появление значительного количества патентов, в которых прототипом был выбран извещатель ИП 212-41М, было вызвано судебным процессом по интеллектуальной собственности. Этот процесс был возбужден в 2004 году обладателем патента RU 2221278 против извещателя ИПД-3.1, в котором выше перечисленные украинские и российские патенты использовались.

Литература:

  1. Баканов В. «Дымовые оптико-электронные точечные пожарные извещатели. Основные схемные решения. Часть 1.1. Блок-схемы» http://daily.sec.ru/authorpbls.cfm?aid=561
  2. http://www.femto.com.ua/articles/part_2/3657.html
  3. Ф. И. Шаровар «Устройства и системы пожарной сигнализации» Изд. 2-е, М. Стойиздат, 1985г.
  4. Баканов В. «Амплитудное и синхронное детектирование сигналов в дымовых пожарных извещателях», ж. «Технологии защиты», № 2, 2013 г. с. 54
  5. Баканов В. «Схемотехника точечных тепловых пожарных извещателей. Часть 2.2. Элементарные схемотехнические «кубики», http://daily.sec.ru/2013/07/15/Shemotehnika-tochechnih-teplovih-posharnih-izveshateley-CHast-22-Elementarnie-shemotehnicheskie-kubiki.html
  6. Бабуров В.П., Бабурин В.В., Фомин В.И. «Технические средства систем охранной и пожарной сигнализации Часть 2. Технические средства пожарной сигнализации». Учебно-справочное пособие/Под общ. ред. В.И. Фомина, М., Изд. «Пожнаука», 2009, 48 с.
  7. Баканов В. «Амплитудное и синхронное детектирование сигналов в дымовых пожарных извещателях. Часть 2. Логические автоматы», ж. «Технологии защиты», № 3, 2013г. c.58
  8. «Устройство регистрации дыма», патент Российской Федерации на изобретение № 2221278 бюл. №1 2004 г.
  9. Баканов В. В. «Димовий пожежний сповіщувач», патент Украины на винахід № 75528, бюл. №4, 2006 р.
  10. Баканов В. В. «Дымовой пожарный извещатель» патент Российской Федерации на изобретение № 2273886, бюл. №10, 2006 г.
  11. Мисевич І. З. «Димовий пожежний сповіщувач», патент Украины на винахід № 75532, бюл. № 4, 2006 р.
  12. Мисевич И. З. "Дымовой пожарный извещатель" патент Российской Федерации изобретение № 2273887, бюл. № 10, 2006 г.
  13. Баканов В. В., Мисевич І. З. «Димовий пожежний сповіщувач», патент Украины на корисну модель № 9400, бюл. № 9, 2005 р.
  14. Баканов В. В., Мисевич И. З. «Дымовой пожарный извещатель» патент Российской Федерации на полезную модель № 48658, бюл. № 30, 2005 г.
  15. Г. Отт «Методы подавления шумов и помех в электронных схемах», М. Мир. 1979 г.
  16. Мисевич І. З. «Димовий пожежний сповіщувач», патент Украины на корисну модель № 9923, бюл. № 10, 2005 р.
  17. Мисевич И. З. «Дымовой пожарный извещатель» патент Российской Федерации на полезную модель 54450, бюл. № 18, 2006 г.
  18. Аксеенко М. Д. и др. «Микроэлектронные фотоприемные устройства», М. Энергоатомиздат 1984 г., с. 37
Просмотров: 2500

Мнения экспертов

История создания и эксплуатации, построение пороговых оптико-электронных точечных пожарных извещателей извещателей – это хорошо, но жизнь идет вперед и надо больше освещать новые приборы: адресные и адресно-аналоговые. В эпоху развития технологий уже пора переходить на интеллектуальные образцы оптико-электронных точечных пожарных извещателей.

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 – 2019
Rambler's Top100 �������@Mail.ru