20 июля 2012
Особенности выбора, применения и построения тепловых пожарных извещателей
Часть 3
В. Баканов
главный конструктор ЧП «Артон»
Пути совершенствования
В основу построения тепловых пожарных извещателей положены различные физические закономерности, в которых проявляются температурные зависимости. Например, зависимость от температуры линейных размеров, формы тела, магнитных свойств (закон Кюри), фазовых переходов материалов, сопротивления металлов и полупроводников, и тому подобное.
В максимальном тепловом пожарном извещателе ИП-103-2 (ТРВ-2) применялся сенсор, который состоял из латунной трубки и инварового стержня [16]. Инвар (означает неизменный), как сплав железа и никеля был изобретен в 1896 году швейцарским физиком Ш. Гийомом, и за который он в 1920 году получил Нобелевскую премию. В диапазоне температур от минус 80 до 100 ° С коэффициент теплового расширения такого материала составляет 1,5 х10-6 1/° С. Благодаря различным коэффициентам теплового расширения латуни и инвара на размере сенсора около 250 мм достигается возможность управления упругими электрическими контактами, которые можно было настроить на срабатывание соответственно при температурах (70 ± 5) и (120 ± 5) ° С. Такой извещатель, блок-схема которого представлена на рисунке 4, сделанный во взрывобезопасном исполнении, что разрешает его применение во взрывоопасных помещениях всех классов, в которых могут создаваться взрывоопасные смеси 1, 2, 3 категорий групп А, Б и Г включительно, согласно ПУЭ. Усовершенствования для этого извещателя предоставлялись изобретением по авторскому свидетельству СССР № 1357990. К недостаткам этого изделия можно отнести большие габаритные размеры и значительную инерционность даже при незначительных скоростях роста температуры воздуха.
Блок-схема теплового пожарного извещателя ИП-103-2 (ТРВ-2)
Рис.4
Долгое время широко применялся тепловой пожарный невосстанавливаемый извещатель ИП 104-1 благодаря простоте своей конструкции. Блок-схема конструкции ИП 104-1 представлена на рисунке 5. Тепловой сенсор в этом извещателе состоял из двух упругих металлических пластин, которые соединялись между собой с помощью сплава Вуда. У этого сплава температура плавления составляет 68 ° С, и когда температура воздуха превышала это значение сплав переходил в жидкое состояние, а упругие контакты разрывали электрическую цепь шлейфа пожарной сигнализации. Усовершенствованию извещателей такого типа были посвящены изобретения по авторским свидетельствам СССР № № 991461, 1177834, 118014, 1203563, 1229788, 1837341 и по патенту России № 2087035. Некоторые модели такого извещателя содержали диоды, которые подключались параллельно упругим контактам. С помощью этих диодов выявлялась разница между срабатыванием извещателя и обрывом шлейфа пожарной сигнализации. К недостаткам таких устройств следует отнести старение сплава с потерями его свойств, как низкотемпературного сплава, а также невозможность проведения проверки работоспособности системы пожарной сигнализации с такими извещателями.
Блок-схема теплового пожарного извещателя ИП-104-1
Рис. 5
Наиболее известным на постсоветском пространстве был, а в некоторых странах все еще остается, извещатель тепловой магнитный ИП-105-2 / 1 [15, с. 74]. Применяется он в установках пожарной сигнализации, воспринимающих сигнал о размыкании или увеличении сопротивления шлейфа пожарной сигнализации. ИП-105-2 / 1, блок-схема которого представлена на рисунке 6, предназначен для работы в закрытых помещениях наземных объектов и рассчитан на непрерывную круглосуточную работу. Чувствительным элементом этого извещателя является геркон [17] с закрепленной на нем магнитной системой, состоящей из постоянных магнитов, никель-цинковых ферритов с низкотемпературной точкой Кюри и латунных шайб - термоприемников. При нормальных условиях геркон под действием продольного магнитного поля, образованного постоянными магнитами и ферритами, стабилизирующими это поле, замкнут.
При повышении температуры окружающей среды более 70 ° С магнитная проницаемость ферритов резко падает, что ведет к ослаблению магнитного поля и размыканию контактов. Исчезновение магнитных свойств ферритов при достижении температуры в "точке Кюри" объясняется тем, что энергия теплового движения становится больше, чем энергия ориентирующая внутренние молекулярные поля. Такие извещатели не имели никакой настройки температуры срабатывания, были неремонтопригодны, а благодаря достаточно большой массе термочувствительного элемента имели еще и большую инерционность. При обдувании извещателя ИП-105-2 / 1 воздухом, нагретым до 90 ° С срабатывание происходило через 120 с. Извещатель необходимо было устанавливать в помещениях и на элементах конструкций, не имеющих собственного магнитного поля. Благодаря высокому качеству герметичных магниточувствительных контактов извещатель мог работать при высокой относительной влажности воздуха: 98% при 35 ° С.
Блок-схема теплового пожарного извещателя ИП-105-2 / 1
Рис. 6
Усовершенствованию тепловых магнитных извещателей были посвящены изобретения по авторским свидетельствам СССР № № 830454, 1244686, 1260989, 1832905, по патенту России № 2179350 и по патенту Украины № 10810.
Параллельно входным клеммам извещателя устанавливался резистор, сопротивление которого суммировалось с сопротивлением конечного резистора при размыкании контактов геркона. Приемно-контрольный пожарный прибор такой ступенчатый рост сопротивления в шлейфе пожарной сигнализации оценивал как сигнал "Пожар".
Применение полупроводниковых терморезисторов в тепловых пожарных извещателях позволило не только существенно уменьшить инерционность, но и создать максимальные, дифференциальные и максимально-дифференциальные извещатели практически при одном и том же схемотехническом решении. В основу работы изделия ИП-101-20/1-70 положена зависимость величины сопротивления терморезистора от температуры. Основными узлами и элементами схемы, представленной на рис. 7, является терморезистор, резистивный мост, транзисторный компаратор, бистабильных элемент - узел памяти на двух транзисторах.
В дежурном режиме все транзисторы извещателя закрыты. Ток потребления в дежурном режиме мал и равен току через резистивный мост. При повышении температуры сопротивление терморезистора уменьшается, благодаря чему увеличивается разность потенциалов на входах транзисторного компаратора. При достижении температуры 70 ° С эта разность потенциалов становится достаточной для открывания транзисторов компаратора и включения бистабильного элемента. Извещатель формирует тревожное сообщение о пожаре путем ступенчатого снижения его внутреннего сопротивления, которое не зависит от величины напряжения в шлейфе, в пределах от 3 до 30 В. Оптическая индикация повышения температуры в помещении осуществляется с помощью внешнего индикатора - светодиода. Кроме того, обеспечивается возможность работы нескольких извещателей с одним групповым выносным устройством оптической индикации.
Блок-схема теплового максимального извещателя ИП-101-20/1-70
Рис. 7
Дифференциальный тепловой извещатель, блок схема, которого приведена на рис. 8, содержит два терморезистора в одном плече резистивного моста. Причем, второй терморезистор находится в середине извещателя и защищен от прямого контакта с воздухом. При быстром повышении температуры сопротивление второго терморезистора не успевает уменьшиться, напряжение на входах компаратора возрастает и достигает порога открывания транзисторов этого компаратора при температуре ниже минимальной температуры срабатывания. При медленном повышении температуры сопротивления терморезисторов уменьшаются пропорционально друг другу, поэтому не будет увеличиваться разность потенциалов на входах компаратора. Такой извещатель может вовсе не сработать при квазистатическом росте температуры. Применение такого решения может обернуться трагедией, поэтому чисто дифференциальные тепловые извещатели нецелесообразно использовать.
Блок-схема теплового дифференциального извещателя
Рис. 8
Решить эту проблему и превратить дифференциальный извещатель в максимально-дифференциальный может всего один лишь резистор, который нужно установить последовательно со вторым терморезистором. Блок-схема теплового максимально-дифференциального извещателя ИП-101-2 представлена на рис. 9.
Блок-схема теплового максимально-дифференциального извещателя ИП-101-2
Рис. 9
При медленном повышении температуры в таком извещателе сопротивление терморезисторов уменьшаются пропорционально друг другу, как и в предыдущей схеме, но благодаря дополнительному резистору возрастает разность потенциалов на входах компаратора. Поэтому такой извещатель срабатывает при достижении заданного порога срабатывания и в случае быстрого нарастания температуры. К недостаткам можно отнести несогласованность схем, представленных на рис. 7 - 9, с ППКП со знакопеременным напряжением в шлейфах пожарной сигнализации. При отсутствии напряжения питания даже на короткое время (10-50) мс бистабильные элементы таких извещателей не сохраняют состояние пожарной тревоги, когда температура воздуха у сенсоров уменьшается до максимальной температуры использования.
Еще до внедрения в Украине первой серии европейских стандартов и в том числе ДСТУ EN 54-5:2003 возникла необходимость в разработке новых тепловых извещателей, соответствующих современному уровню техники в пожарной сигнализации. Разработкой нескольких направлений для достижения этой цели занялись специалисты предприятия «Артон», г. Черновцы. Первым из этой когорты технических решений появился съемный восстанавливаемый точечный тепловой максимальный извещатель с дистанционным возвратом в исходное состояние - СПТ-2Б, блок-схема которого представлена на рис.10. Основой этого прибора стало изобретение по патенту Украины № 76047 [18].
Блок-схема теплового максимального извещателя СПТ-2Б
Рис.10
Извещатель СПТ-2Б представляет собой автоматический термоэлектрический устройство, осуществляющее электрическую сигнализацию и оптическую индикацию повышение температуры в помещении, а также оптическую индикацию дежурного режима работы. В качестве теплового сенсора у него был задействован специальный пленочный малоинерционный терморезистор с релейной температурной характеристикой, имеющей скачкообразное изменение сопротивления не менее чем на три порядка при температуре фазового перехода этого полупроводника равной 68 ° С. Для еще большей стабилизации параметров сенсора его питание осуществлялось импульсным напряжением стабильной амплитуды.
Следующей серией технических решений были изобретения по патентам Украины № № 78376 [19], 85255 [20], 86308 [21], 87559 [22] и соответственно им патенты России № № 2303291, 2351016, 2372664, 2386175, которые были постепенно реализованы в извещателях ТПТ-2 и ТПТ-3. Аналогичные извещатели, с использованием указанных изобретений, были сертифицированы в Республике Беларусь и в Российской Федерации. Согласно патенту UA 78376 принципиальная электрическая схема извещателя ТПТ-2 (рис. 11), имеет минимальное количество электронных компонентов, в то же время отвечает всем требованиям стандартов: украинским ДСТУ EN 54-5:2003, российскому ГОСТ Р 53325-2009, и белорусскому НПБ 103-2005.
Принципиальная электрическая схема извещателя ТПТ-2
Рис. 11
Тепловым сенсором в этом извещатели было контактное тепловое реле на основе температурной памяти формы материала. Извещатели ТПТ-3 имеют дополнительную функцию - индикацию дежурного режима работы.
Изобретения по патентам Украины № № 87558 [23], 89096 [24], 89097 [25], 89550 [26], 90314 [27] и соответствующие им патенты России № № 2420809, 2351016, 2386175, 2372664, 2390850 открыли возможность создания новых серий пожарных тепловых извещателей для украинского рынка: FT и FTL; а также для российского рынка: RT и RTL. Именно благодаря этим изобретениям появилась возможность реализации практически на одной печатной плате максимальные извещатели различных температурных классов: А1, А2, А3, В, а также максимально-инерционные извещатели классов A1S, A2S, BS. Изобретения UA87558 и UA90314 позволили создать микроконтроллерные максимально-дифференциальные извещатели классов A1R, A2R, A3R, BR, которые отличаются только программой, которая «прошивается» в микроконтроллерах этих извещателей.
Именно комплект из семи изобретений: UA 89096, UA87559, UA85255, UA86308, UA89550, UA89097 и UA90314 с единым названием «Тепловой пожарный извещатель» завоевал почетное второе место в абсолютной номинации на Всеукраинском конкурсе «Лучший изобретение 2010 года». Показательно, что первое место в этом конкурсе было присуждено государственному предприятию КБ «Южное» им. Н.К. Янгеля с их изобретением по ракетно-космическому комплексу. Таким образом, можно справедливо утверждать, что новейшие решения, которые реализуются сейчас в компонентах пожарной сигнализации частного предприятия «Артон», и в тепловых пожарных извещателях частности, реально вышли на уровень космических технологий и технических решений.
Литература:
- Навацкий А.А., Бабуров В.П., Бабурин В.В. и др. Производственная и пожарная автоматика. Ч. 1. Производственная автоматика для предупреждения пожаров и взрывов. Пожарная сигнализация: М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. с.258
- Большая Советская Энциклопедия (В 30 томах) гл. Ред .. А. М. Прохоров, Изд.3. М. "Советская Энциклопедия" 1971 г., т. 6, с. 357
- Абушкевич В. А, Баканов В. В. Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 76047, бюл. № 6, 2006 г.
- Абушкевич В. А, Баканов В. В. Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 78376, бюл. № 3, 2007 г.
- Абушкевич В. А, Баканов В. В. Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 85255, бюл. № 1, 2009 г.
- Абушкевич В. А, Баканов В. В. Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 86308, бюл. № 7, 2009 г.
- Абушкевич В. А, Баканов В. В. Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 87559, бюл. № 14, 2009 г.
- Капитанов Н. В. "Пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 87558, бюл. № 14, 2009 г.
- Мисевич И. З. "Тепловой пожарный извещатель Мисевич" патент Украины на изобретение № 89096, бюл. № 24, 2009 г.
- Баканов В. В. "Тепловой пожарный извещатель Баканова" патент Украины на изобретение № 89097, бюл. № 24, 2009 г.
- Абушкевич В. А. "Тепловой пожарный извещатель Абушкевича" патент Украины на изобретение № 89550, бюл. № 3, 2010 г.
- Баканов В. В., Капитанов Н. В., Мисевич И. З., Шерепера С. А. "Тепловой пожарный извещатель" патент Украины на изобретение № 90314, бюл. № 8, 2010 г.
