Перейти на Sec.Ru
Рейтинг@Mail.ru

23 декабря 2014

Лазерный оптический термокабель

Игорь Неплохов,
к.т.н., технический директор ГК «Пожтехника» по ПС

Антон Анненков,
исполнительный директор ГК «Пожтехника»

 

В статье рассматривается принцип действия и уникальные возможности линейного теплового извещателя с оптоволоконным кабелем серии FiberSystem 8000 и интерферометром Рамана (OTDR). Кроме того, после выхода из печати предыдущего номера журнала со статьей «Линейный тепловой извещатель» и после ее размещения в интернете появились вопросы читателей. Неужели действительно ошибка измерения расстояния до очага при использовании термокабеля может достигать 600 м, ведь некоторые производители указывают точность измерения 1 м?!! Какой термокабель дает точное определение расстояния до очага? И так далее. Ответы на эти вопросы даны во введении к этой статье. Эта статья, как и предыдущая, так же предназначена для широкого круга специалистов, не равнодушных к пожарной безопасности.

 

Локализация очага с традиционным термокабелем

В проводном термокабеле с термочувствительным полимером, изолирующим витые проводники, при достижении температуры срабатывания полимер расплавляется и проводники замыкаются между собой. По величине сопротивления проводников до короткозамкнутого участка определяется расстояние до очага (рис. 1).

 

Рис. 1. Расстояния до очага равно 1929 м

 

Индикация расстояния до очага вдоль термокабеля производится в метрах для удобства восприятия вне зависимости от точности измерения. Дискрет измерения равен 1 м, но никак не точность измерения. Так же возможно измерение расстояния в футах, при этом дискрет уменьшается в 3 раза, однако очевидно точность измерения остается прежней. Бессмысленно утверждать, что точность измерения равна 1 футу = 0,3048 м, как и то, что точность измерения равна 1 м.

Точность измерения зависит от крутизны преобразования и от изменения сопротивления термокабеля при внешних воздействиях. Крутизна преобразования в данном случае это погонное сопротивление термокабеля и чем оно выше, тем точнее результат измерения при одной и той же погрешности измерителя. Например, если погрешность измерителя равна 0,5 Ом, то для термокабеля с сопротивлением 0,2 Ом/м это будет определять ошибку измерения расстояния в 2,5 м, а для термокабеля с сопротивлением 0,6 Ом/м – ошибку измерения в 0,83 м. Точность локализации очага определяется не столько характеристиками измерителя сопротивления модуля, но в большей степени нестабильностью сопротивления термокабеля и соединительного кабеля при изменении условий окружающей среды. Как было показано в предыдущей публикации, значительное влияние на точность измерения оказывает изменение сопротивления термокабеля при изменении температуры окружающей среды. Причем даже на объекте с достаточно стабильным уровнем температуры при пожаре неизбежно будет происходить повышение температуры и изменение сопротивления значительной протяженности термокабеля. По оценке экспертов низкоомный термокабель (при использованием покрытий из меди, олова, цинка, никеля и т.д.) с сопротивлением порядка 0,2 Ом/м имеет коэффициент температурной зависимости равный примерно 0,4 %/ 0С, тогда как высокоомный кабель с сопротивлением порядка 0,6 Ом,/м всего лишь 0,1 %/ 0F. Таким образом, при одинаковой протяженности термокабеля, равной 3 000 м, при изменении температуры на 10 0С максимальная ошибка в случае низкоомного термокабеля составляет 120 м, а в случае высокоомного термокабеля – всего лишь 54 м. При изменении температуры на 50 0С, например, с +25 0С, при которых летом проводился монтаж и юстировка термокабеля, зимой температура может понизиться до -25 0С, и сопротивление низкоомного термокабеля снизится на 20%, и вместо 3000 м, индикатор будет показывать 2400 м.

 

Рис. 2. ППКП для непосредственного подключения термокабеля и дымовых извещателей

 

В части контроллеров для работы с традиционным проводным термокабелем наиболее продвинутым техническим решением, представленным на российском рынке, вероятно, является приемно-контрольный прибор SRP4x4 производства компании Protectowire (рис. 2). Этот прибор обеспечивает непосредственное подключение 4–х высокоомных термокабелей, длиной до 10 000 футов, что равно 3048 м, с индикацией расстояния до очага. Мало того, возможно одновременное подключение до 20 дымовых пожарных извещателей в каждый шлейф с разбиением на две части. Первая группа дымовых извещателей подключается непосредственно к прибору, а вторая – через первый отрезок термокабеля, длиной примерно до 150 м, ограничение по сопротивлению – до 100 Ом. Длина термокабеля за второй группой дымовых извещателей ограничена суммарной его величиной, равной 10 000 футов, т.е. 3 048 м (рис. 3).

 

Рис. 3. Включение термокабеля и дымовых извещателей в один шлейф прибора SRP4x4

 

При удельном сопротивлении термокабеля порядка 0,6 Ом/м сопротивление 3 000 м будет равно соответственно 1,8 кОм, и при оконечном резисторе 8,2 кОм суммарное сопротивление составляет 10 кОм. Тем самым обеспечивается четкая идентификация режима «Пожар» при срабатывании термокабеля.

 

Недостатки традиционного термокабеля

Основным ограничением применения проводного термокабеля значительной длины, более 2 - 3 км, является отсутствие возможности разбиения всей протяженности термокабеля на зоны. Доступна только визуальная информация о расстоянии до места срабатывания термокабеля, что позволяет считать его условно квазиадресным. Но формируется только один сигнал «Пожар», и вся протяженность термокабеля фактически относится к одной зоне. Нет возможности для разделения длины термокабеля на несколько зон, что необходимо для включения пожарной автоматики по зонам. Кроме того, несмотря на использование интерфейсных модулей с разрядниками и варисторами для обеспечения грозозащиты и снижения влияния электромагнитных помех, полностью защититься при наличии нескольких километров кабеля не представляется возможным. Эти недостатки традиционного проводного термокабеля устраняются при использовании оптоволоконного термокабеля.

 

Термокабель нового поколения – оптоволокно с лазерным интерферометром

Современные технологии значительно расширяют функциональные возможности линейного теплового извещателя. Наиболее значимые практические результаты были получены при использовании лазерного оптического рефлектометра с волоконно-оптическим кабелем. Температура контролируется вдоль кабеля-сенсора с непрерывным профилем. Это обеспечивает высокую точность определения изменения температуры на больших расстояниях или на протяженных поверхностях.

 

Принцип действия извещателя серии FiberSystem 8000

В этом извещателе используется так называемый эффект Рамана – комбинационный принцип измерения температуры вдоль оптического волокна, изготовленного из кварцевого стекла. Кварцевое стекло состоит из диоксида кремния в виде аморфной твердой структуры. Тепловое воздействие вызывает колебания решетки в твердом веществе. Когда свет падает на термически возбужденные молекулярные осцилляции, происходит взаимодействие между легкими частицами (фотонами) и электронами молекул. При этом в оптическом волокне происходит рассеяние света, известное как Рамановское рассеяние. В отличие от падающего света, этот рассеянный свет претерпевает спектральный сдвиг на величину, эквивалентную резонансной частоте колебаний решетки. Свет рассеивается в обратном направлении вдоль оптического волокна и содержит три различных спектральных компоненты (рис. 4):

  •   Рэлеевское рассеяние с длиной волны используемого лазерного источника излучения
  •   Составляющая Стокса с большей длиной волны
  •   Составляющая Анти-Стокса с длиной волны ниже, рассеяния Рэлея.

Интенсивность так называемой Анти-Стоксовской спектральной составляющей зависит от температуры, в то время как спектральная составляющая Стокса практически от температуры не зависит. Локальная температура оптического волокна определяется из соотношения уровня спектральных составляющих Анти-Стокса и Стокса.

Использование полупроводниковых лазерных диодов с новым способом процедуры оценки, с обнаружением двух видов рассеяния (Рэлея и Рамана), в сенсоре из оптического кабеля длиной до 10 км позволяют контролировать незначительные изменения температуры, такие как один – два градуса по Цельсию в минуту. Формирование выборки отсчетов через 10 нс позволяет формировать практически непрерывный профиль распределения температуры вдоль оптоволокна.

 

Рис. 4. Принцип работы лазерного оптоволоконного линейного извещателя:
Is – стоксовская полоса Рамана; Ia – антистоксовская полоса Рамана

 

Передний край технологий линейных тепловых извещателей

Использование лазерных технологий обеспечило возможность уменьшить время обнаружения загорания, свести к минимуму ложные срабатывания, увеличить надежность системы и обеспечить новый уровень отображения и передачи информации пользователю системы. Линейный волоконно-оптический тепловой извещатель представляет собой кабель, который способен обнаруживать горячие газы, а так же тепловое излучение, отвечает специфичным требованиям при защите различных объектов или взрывоопасных зон. Этот кабель не содержит электронику, и поэтому невосприимчив к электромагнитным помехам любых уровней и диапазонов. Кабель этого линейного извещателя обеспечивает долгие годы функционирования. Его конструкция устойчива к большинству воздействий окружающей среды, таких как температура, давление, высокая влажность, загрязнения окружающей среды и выхлопные газы, которые содержат большое количество агрессивных химических веществ, коррозионно активных. Линейные тепловые извещатели серии FiberSystem 8000 обеспечивают максимально точное определение местоположения очага или повышения температуры на любом участке вдоль длины оптического волокна.

Уникальные возможности зонирования. Вся длина оптического волокна может быть разделена на большое число зон в соответствии с различными зонами: например, кабельные каналы, вентиляция, зоны с пожаротушением и т.д. Максимально может быть запрограммировано до 256 зон на каждом канале. Зоны могут быть запрограммированы с дискретом 0,01 м совершенно произвольно – с промежутками и внахлест, что значительно расширяет возможности управления системой.

Несколько критериев формирования сигнала «Пожар» в каждой зоне. Сигнал «Пожар» может формироваться при достижении фиксированной температуры в зоне (максимальный канал), по скорости повышения температуры в каждой точке зоны (дифференциальный канал) – 3 значения (задаются в виде разности температур и промежутков времени) и разности температур в любой точке зоны и средней величиной температуры в зоне. Последний критерий очень эффективен при обнаружении локальных перегревов при низких температурах, позволяет идентифицировать повышение температуры на 5 – 10 0С даже при отрицательных температурах.

Возможность визуализации размера очага. Имеется информация о расположении и протяженности участка, в точках которого выполняются критерии формирования сигнала тревоги. Например, при воздействии потока нагретого воздуха на катушку оптоволокна было зафиксировано превышение температуры над средней температурой оптоволокна и превышение скорости нарастания температуры на 5 участках, на расстоянии 5,7 м, 9 м, 13 м, 22 м и 29 м, протяженность каждого участка равнялась 2 м (рис. 5). Дискрет отображения температуры равен 0,01 °C, расстояния 0,01 м.

 

Рис. 5. Отображение результатов измерений на мониторе

 

Возможность определения направления распространения очага. Большинство очагов имеют определенное доминирующее направление распространения. Зная направление распространения, можно оптимизировать процесс тушения, определить с какой стороны наиболее безопасно производить тушение и ликвидацию очага.

Возможность работы в режиме двойного канала. Контроллеры серии FiberSystem 8000 с двумя каналами могут конфигурироваться для работы в режиме двух радиальных шлейфов, или режиме петлевого шлейфа. В конфигурации двух радиальных шлейфов, контроллер выполняет независимые измерения на двух отдельных оптических волокнах, обеспечивая в два раза большую зону контроля.

В двухканальном режиме с петлевым шлейфом, один кабель подключается к двум выходам контроллера с возможностью выполнения измерений с двух сторон оптоволокна. При такой конфигурации в случае возникновения обрыва оптоволокна, вся длина термокабеля извещателя продолжает контролироваться с двух выходов контроллера до точки разрыва. Причем при обрыве кабеля формируется сигнал «Неисправность» и определяется место обрыва с точностью до 1 м, что важно для быстрого устранения неисправности при протяженности линейного извещателя в несколько километров.

Безопасность. В контроллере используется маломощный лазер до 20 мВт (класс 1М), неопасный для глаз человека и безопасный при обрыве оптоволоконного кабеля во взрывоопасной зоне. Этот кабель может монтироваться во взрывоопасных зонах, включая зону 0, без какой-либо дополнительной взрывозащиты. Программируемый уровень сигнала тревоги по превышению температуры относительно среднего значения в зоне позволяет значительно раньше обнаружить пожарную опасность, что очень важно обеспечить во взрывоопасной зоне. С другой стороны, использование лазера на малых мощностях гарантирует стабильную работу извещателя в течение нескольких десятков лет.

Виброустойчивость. Контроллеры серии FiberSystem 8000 спроектированы специально для работы в тяжелых условиях при наличии вибраций, например, в железнодорожных тоннелях. Испытания на вибрационную устойчивость показали отсутствие каких-либо влияний на результаты измерений при воздействии вибрации с ускорением 0,5 g.

 

Рис. 6. Испытания на вибрационную устойчивость контроллера FiberSystem 8000

 

В зависимости от условий эксплуатации выбирается тип волоконно-оптического кабеля. Кабель с индексом MF, состоит из неметаллической оплетки, которая вмещает два оптических волокна. Покрытия оптических волокон специально выбраны для широкого применения при различных воздействиях окружающей среды и температурные требований. Кабель имеет безгалогенную огнестойкую оболочку, которая обеспечивает высокую эластичность и малые радиусы изгиба. Высокая прочность на разрыв обеспечивается плотно буферизированными арамидными волокнами, сплетенными вокруг сердечника. Этот тип кабеля идеально подходит для использования в приложениях с высоким уровнем электромагнитных помех, например, на железнодорожном транспорте, в тоннелях или на электрических кабельных лотках, поскольку его, не содержащая металла конструкция минимизирует риск наведенных напряжений. Отсутствуют электронные компоненты, сенсорный оптический кабель полностью пассивен и не требует какого-либо питания в процессе измерения и обнаружения.

Высокие механические характеристики кабеля упрощают техническое обслуживание. Можно отметить также простую интеграцию и установку, возможность защиты одним кабелем большого числа зон общей протяженностью до 10 км.

Для приложений, которые требуют максимально прочного исполнения, имеется исполнение кабеля с индексом FR, который построен с использованием корда из нержавеющей стали. В оболочке находятся два независимых кварцевых волокна с цветовой кодировкой. Оболочка из нержавеющей стали, плакированная слоем высококачественной нержавеющей стальной проволоки, и безгалогенная огнеупорная оболочка образуют конструкцию, которая обеспечивает высокую прочность на растяжение. Оптоволоконный кабель имеет диаметр 3,8 – 4 мм, что обеспечивает совместимость с крепежными элементами проводного термокабеля.

Контроллеры серии FiberSystem 8000 выпускаются одноканальные на 1 км, 2 км, 4 км, 6 км, 8 км и 10 км, двухканальные на 1 км, 2 км, 4 км, 6 км и 8 км, четырехканальные на 1 км, 2 км, 4 км и 6 км. Широкая номенклатура позволяет выбрать оптимальный тип контроллера и кабеля для различных объектов по протяженности и по конфигурации. Извещатель подключается к любому приемно-контрольному прибору через программируемые встроенные 43 реле «Пожар» и 1 реле «Неисправность», для расширения дополнительно могут использоваться внешние релейные блоки с 256 реле на каждый канал. Контроллер может быть легко интегрирован в SCADA через Modbus, TCP/IP, RS-485, RS-422 или RS-232. Подключение к компьютеру для конфигурирования производится через USB и LAN (RJ-45).

Этот уникальный лазерный линейный тепловой извещатель эффективно контролирует протяженные объекты (тоннели, кабельные трассы, конвейеры, транспортеры, резервуары, холодильные камеры, парковки), идеален для использования в областях с тяжелыми температурными условиями, не подвержен электромагнитным помехам, радиации, коррозии, работает в химически агрессивных и во взрывоопасных средах.

 

Статья опубликована в журнале «Грани безопасности»,6 (84) / 14

Просмотров: 1437

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