О принципах работы извещателей пожарных дымовых линейных 08.05.2020

Инженерно-Конструкторский отдел ООО ПТК ИВС

В данной статье рассмотрим принципы работы извещателя пожарного дымового линейного (далее будем в статье называть его для краткости ИПДЛ) и физические принципы, лежащие в основе его работы.

Технические особенности будут рассматриваться для однопозиционных ИПДЛ, так как данный тип продукта является наиболее востребованным на рынке.

Начнем нашу статью с рассмотрения того, что из себя представляет однопозиционный ИПДЛ.

Однопозиционный ИПДЛ

Оптические средства обнаружения по способу формирования зоны обнаружения можно классифицировать как активные и пассивные. Активные средства обнаружения отслеживают изменение формируемого ими инфракрасного излучения, пассивные - отслеживают изменение естественного инфракрасного излучения. ИПДЛы являются активными средствами обнаружения.

ИПДЛы по конструктивному исполнению подразделяются на однопозиционные и двухпозиционные. В однопозиционных ИПДЛах приемник и передатчик инфракрасного излучения совмещены в одном корпусе. Совместно с однопозиционными извещателями используются рефлекторы отражатели. В двух позиционных извещателях приемник и передатчик находятся в различных корпусах.

Принцип работы однопозиционного ИПДЛ заключается в следующем: приемник-передатчик и рефлектор отражатель располагаются в противоположных концах помещения на расстоянии от 8 метров и более, таким образом, чтобы луч испускаемый инфракрасным светодиодом отразившись от поверхности рефлектора отражателя поступал на фотодиод. Поступающий с фотодиода сигнал усиливается операционным усилителем, обрабатывается с помощью аппаратной логики, и поступает на вход микроконтроллера.

При прохождении дыма через инфракрасный луч величина фиксируемого фотодиодом сигнала изменяется, в результате чего микроконтроллер принимает решение о том, произошло ли в помещение возгорание.

Данный тип ИПДЛ является наиболее востребованным, так как они легче в настройке, и как следствие во вводе в эксплуатацию, так как произвести юстировку ИПДЛ, относительно отражателя значительно проще, чем произвести синхронизацию и юстировку двухпозиционных извещателей.

Теоретические сведения о работе оптических средств обнаружения

Приступим к рассмотрению физических принципов и конструктивных особенностей оптических средств обнаружения (далее ОСО), к которым относится ИПДЛ. Дабы охватить полный спектр достоинств и недостатков устройств данного класса, будем производить разбор на примере охранных оптических средств обнаружения, так как данные большее количество физических принципов оптических волн.

Для начала рассмотри оптические свойства волн, ОСО в совей работе используют волны инфракрасного диапазона.

Свойства инфракрасных волн

Первое рассматриваемое свойство - поглощение.

Распространяясь в воздушной среде, энергия инфракрасного излучения ослабляется в результате поглощения и рассеивания.

Содержащиеся в атмосфере молекулы углекислого газа СО2, озона О3 и особенно пары воды Н2О селективно поглощают инфракрасное излучение. Увеличение в атмосфере дыма, пыли, мелких капель воды (дымка, туман) приводят к дополнительному ослаблению инфракрасного излучения, что сказывается на уменьшении зоны обнаружения периметровых оптических СО.

Молекулы азота и кислорода, содержащиеся в воздухе, не поглощают энергию инфракрасного излучения, ослабление энергии волн происходит в результате рассеивания.

Второе свойство - отражение.

На границе раздела двух сред при встрече с поверхностью материального тела падающая инфракрасная волна может частично отражаться и продолжать распространение в воздушной среде по новому направлению. В большей или меньшей степени отражение происходит от любых предметов, при этом всегда выполняется основной закон отражения. Это свойство инфракрасных волн широко используется при построении оптических средств обнаружения для формирования конфигурации зоны обнаружения.

Для преобразования электрической энергии в инфракрасное излучение в оптических СО используются, как правило, излучающие диоды, не обладающие направленными свойствами.

Для формирования конфигурации зоны обнаружения необходимо направить инфракрасную энергию в определенную область пространства. Для этой цели используются зеркальные поверхности определенной формы.

На рисунке 1 приведены варианты отражения инфракрасного излучения от различных типов зеркал.

Рисунок 1 - Отражение инфракрасной энергии от зеркальной поверхности. а - многосегментное отражательное зеркало, б - параболическое зеркало.

В оптических активных однопозиционных СО (ИДПЛ) свойство отражения используется непосредственно для обнаружения задымления, т.к. приемное устройство обрабатывает отраженные от отражателя инфракрасные волны. При отсутствии задымления в зоне обнаружения параметры отраженного инфракрасного излучения на входе устройства приемного постоянны с течением времени. При возникновении возгорания - параметры изменяются, появляется полезный сигнал.

Третье свойство - преломление.

На границе раздела двух оптически прозрачных сред инфракрасные волны не только частично поглощаются или отражаются. Основная часть энергии переходит в другую среду, при этом инфракрасные волны изменяют направление распространения.

Преломление ИК-волн нашло практическое применение в приемных устройствах для фокусировки ослабленной рассеянной инфракрасной энергии в узкий луч на фотодиод.

На рисунке 2 приведена система фокусирующих линз, применяемых в оптических средствах обнаружения.

Рисунок 2 - Система фокусирующих линз.

Четвертое свойство - дифракция.

Диапазон инфракрасного излучения очень близок к диапазону видимого света. В реальных оптических средствах обнаружения используется инфракрасное излучение в диапазоне от 0,9 до 20 мкм. Волны такой длины могут распространяться в однородной среде только прямолинейно.

В оптических активных двухпозиционных СО прямолинейность распространения узкого направленного луча приводит к необходимости точного ориентирования (юстировки) приемника и передатчика инфракрасных волн. Кроме этого, оптическая ось между приемником и передатчиком не должна даже частично перекрываться посторонними предметами (должна обеспечиваться прямая видимость). В описываемых средствах обнаружения свойство дифракции используется непосредственно для обнаружения задымления. Дым, являясь оптически непрозрачным телом, пересекая зону обнаружения, перекрывает узконаправленный луч, что приводит к изменению параметров принимаемого ИК-излучения и срабатыванию средства обнаружения.

Принцип действия оптических средств обнаружения

Мощным источником инфракрасного излучения является солнце, около 50% излучаемой энергии находится в инфракрасном диапазоне. Значительная доля энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью (около 80%) приходится на инфракрасный участок спектра электромагнитных волн. Инфракрасную энергию излучают некоторые типы газоразрядных ламп и лазеров.

В активных оптических средствах обнаружения в качестве источников инфракрасного излучения используются излучающие диоды, принцип действия которых основан на преобразовании электрической энергии в электромагнитные волны инфракрасного диапазона.

Принцип действия приемников инфракрасного излучения основан на преобразовании энергии инфракрасных волн в другие виды энергии, которые могут быть измерены обычными методами.

В оптических средствах обнаружения используются, как правило, фотоэлектрические приемники, преобразующие инфракрасную энергию в электрическую. Таким образом, любое изменение уровня инфракрасного излучения, попадающего на фотоэлектрический приемник, приведет к изменению амплитуды электрического сигнала.

Фотоэлектрические приемники являются селективными, т.е. чувствительными в определенной области спектра, что повышает помехозащищенность оптических средств обнаружения.

В оптических активных однопозиционных средствах обнаружения излучатель и приемник конструктивно располагаются в одном блоке. Устройство излучающее работает в импульсном режиме. Отраженные от предметов и участков помещения инфракрасные импульсы частично достигают чувствительного элемента приемного устройства. Зона обнаружения формируется в том участке пространства, где проходит излученный и отраженный в обратном направлении сигнал. В связи с тем, что размеры шероховатости реальных поверхностей значительно превышают длину инфракрасных волн, часть падающих на материальное тело электромагнитных волн обязательно отразится в обратном направлении - в сторону приемного устройства. Поэтому в зависимости от используемой оптической системы активные однопозиционные СО могут иметь зону обнаружения лучевого (в ИПДЛ), барьерного или объемного типа.

При отсутствии задымления и при условии неподвижности предметов в зоне обнаружения уровень отраженной инфракрасной энергии на входе устройства приемного будет постоянным. При появлении нарушителя (для охранных ОСО) в зоне обнаружения, в той части помещения, где находится нарушитель, изменится направление распространения электромагнитных волн, что приведет к увеличению или к уменьшению уровня отраженной инфракрасной энергии, попадающей на чувствительный элемент устройства приемного. Факт изменения уровня инфракрасной энергии является полезной информацией. На основе которой устройство принимает решение о дальнейших действиях: объявлять тревогу или же нет.

Таким образом, принцип действия оптических активных однопозиционных СО основан на фиксации изменения интенсивности отраженного от участков помещения инфракрасного излучения на входе устройства приемного при попадания объекта в зону обнаружения.

Как было сказано выше для ИПДЛов зона обнаружения лучевая, т.е. это плоскость формируемая между ИПДЛом и рефлектором отражателем, как правило, ширина данной зоны составляет 9 метров, а длина может достигать 120 метров (например, ИПДЛ-52СМ и ИПДЛ-52СМД). При попадании дыма в зону обнаружения интенсивность отраженного луча изменяется и получается полезный сигнал.

Типовая функциональная схема активного однопозиционного средства обнаружения

На рисунке 3 приведена типовая функциональная схема оптического активного однопозиционного средства обнаружения (СО).

Рисунок 3 – типовая функциональная схема оптического активного однопозиционного средства обнаружения, Г - низкочастотный задающий генератор, У – усилитель, УИ - устройство излучающее , ЭК - электронный коммутатор, УП - устройство приемное, БЭ - блок электронный , ПД - пиковый детектор , ИУ - исполнительное устройство , ССОИ – средства сбора и обработки информации

УИ с помощью оптической системы излучает ИК-импульсы в пространство помещения. При отсутствии задымления в зоне обнаружения интенсивность отраженных от отражателя импульсов на входе УП остается неизменной, следовательно, амплитуда непрерывного сигнала на выходе ПД постоянна.

При появлении нарушителя в зоне обнаружения изменится процесс распространения ИК-импульсов, что может привести как к уменьшению, так и к увеличению уровня ИК-энергии на входе УП. Следовательно, амплитуда непрерывного сигнала на выходе ПД может не только уменьшиться, но и увеличиться. Значит, пороговое устройство на выходе ПД должно иметь два порога срабатывания - нижний и верхний. При уменьшении амплитуды сигнала до нижнего порогового значения или при увеличении амплитуды до верхнего порога, исполнительное устройство переходит в тревожное состояние.

На рисунке 4 приведены графики, поясняющие работу схемы оптического активного однопозиционного средства обнаружения.

Рисунок 4 - графики, поясняющие работу схемы оптического активного однопозиционного средства обнаружения.

Графические модели различных вариантов зон чувствительности ОСО

Информация в данном пункте будет приведена с ознакомительной целью, так как в пожарных системах данные модели, как правило не применяются.

Модели различных вариантов зон чувствительности ОСО:

  • одного или нескольких узких лучей, сосредоточенных в малом угле;
  • нескольких узких лучей в вертикальной плоскости (лучевой барьер);
  • одного широкого в вертикальной плоскости луча (сплошной занавес) или в виде многовеерного занавеса;
  • нескольких узких лучей в горизонтальной или наклонной плоскости (поверхностная одноярусная зона);
  • нескольких узких лучей в нескольких наклонных плоскостях (объемная многоярусная зона).

На рисунках 5 и 6 приведены иллюстрации моделей различных вариантов зон чувствительности зон обнаружения оптических средств обнаружения.

Рисунок 5 – модели различных вариантов зон чувствительности зон обнаружения, сплошной занавес, многовеерный занавес, поверхностная зона.

Рисунок 6 – модели различных вариантов зон чувствительности зон обнаружения, длинный луч, лучевой барьер, объемная зона.

При этом можно изменять протяженность зоны чувствительности от 1 до 50 м, угол обзора - от 3 до 180° (для потолочных ОСО - до 360°), угол наклона каждого луча - от 0 до 90°, число лучей может составлять от одного до нескольких десятков.

При построении оптических систем ОСО могут использоваться:

  • линзы Френеля - фасеточные (сегментированные) линзы, представляющие собой пластиковую пластину с отштампованными на ней несколькими призматическими линзами-сегментами;
  • зеркальная оптика - в СО устанавливаются несколько зеркал специальной формы, фокусирующих тепловое излучение на пироприемник;
  • комбинированная оптика, использующая и зеркала, и линзы Френеля.

Материал, из которого изготавливаются современные линзы, обеспечивает защиту пироприемника от белого света. К неудовлетворительной работе ОСО могут привести такие эффекты как тепловые потоки, являющиеся результатом нагревания электрических компонентов СО, попадания насекомых на чувствительные пироприемники, возможные переотражения инфракрасного излучения от внутренних частей СО. Для устранения этих эффектов в ОСО последнего поколения применяется специальная герметичная камера между линзой и пироприемником (герметичная оптика).

Достоинства и недостатки оптических средств обнаружения

Достоинства оптических СО:

1. Высокая вероятность обнаружения нарушителя.

2. Компактность.

3. Малое потребление электроэнергии.

4. Возможность создания зон обнаружения различной конфигурации.

5. Простота установки и монтажа.

6. Возможность скрытого использования, высокая маскируемость пассивных оптических СО.

7. Возможность использования активных ОСО в широком диапазоне температур.

Недостатки оптических СО:

1. Низкая помехозащищенность, особенно характерна для пассивных оптических СО.

2. Ограниченный срок службы излучающих диодов и фотоэлектрических преобразователей.

3. Невозможность использования в условиях инфракрасных помех.