Принципы построения и особенности применения современных систем охранно-пожарной сигнализации. Учебно-методическое пособие

7

3

4

6 5

Рис. 4. Структурная схема аспирационного дымового датчика:

1 – заборный патрубок; 2 – выпускной патрубок; 3 – сменный пылезащитный фильтр; 4 – малогабаритный компрессор; 5 – измерительная камера; 6 – инфракрасный

полупроводниковый лазер; 6 – фотодиод

Существует два способа определения наличия дыма в чувствительном элементе дымового датчика дыма. Наиболее широко распространен оптико-электронный способ, о котором рассказывалось выше. Решение о наличии дыма принимается в том случае, если мощность инфракрасного излучения поступающего на фотоприемник падает ниже определенного уровня или увеличивается уровень излучения отраженного от частиц дыма. Более высокая чувствительность точечного дымового датчика по сравнению с линейным обусловлена тем, что фотоприемник огражден от воздействия естественного света и частично от пыли. В точечных дымовых датчиках с принудительной циркуляцией воздуха (аспирационных) чувствительность еще выше.

Кроме оптико-электронных существуют ионизационные дымовые датчики. В ионизационных дымовых датчиках используется радиоактивный изотоп (например, изотоп америция-241 в датчике 1151EIS [6])

11

излучение которого ионизирует молекулы воздуха в чувствительной камере. Под действием электрического поля, образующиеся положительные и отрицательные ионы создают ток, значение которого постоянно контролируется. При поступлении в чувствительную камеру дыма происходит уменьшение тока из-за объединения части ионов на поверхности частиц дыма. При снижении тока до порогового уровня происходит активизация датчика.

Тепловые датчики. Подгруппа тепловых датчиков включает в себя устройства формирующие сигнал тревоги в случае, если в течении определенного времени температура в месте установки выше определенного порога или если в течении короткого промежутка времени произошел резкий скачок температуры или по совокупности этих признаков. Датчики соответственно называются максимальные, дифференциальные и максимально-дифференциальные. Тепловые датчики, относящиеся к первому типу, в настоящее время используются достаточно редко. Существует две разновидности таких датчиков. Первая – датчики с плавкими элементами. При повышении температуры материал в чувствительном элементе расплавляется (например, сплав Вуда) и под действием собственного веса чувствительный элемент падает, разрывая электрическую цепь и формируя сигнал тревоги (рис. 5).

Рис. 5. Принцип действия теплового пожарного датчика с плавким элементом.

Недостатком датчиков подобного типа является их одноразовость: после срабатывания датчики не подлежат восстановлению и должны быть заменены на новые, но из-за простоты конструкции цена подобных датчиков очень низкая, что компенсирует их одноразовость. Вторая разновидность – датчики с использованием биметаллических пластин. При повышении температуры выше определенного порога происходит деформация биметаллической пластины, электрическая цепь разрывается и формируется сигнал тревоги. Биметаллическая пластина

12

представляет собой сплав двух пластин из металлов с разным коэффициентом теплового расширения. Чаще всего, подобные датчики устанавливаются в местах с повышенной влажностью [7] (рис. 6).

Рис. 6. Принцип действия теплового пожарного датчика на основе биметаллической пластины

Общим недостатком датчиков обеих разновидностей является их большая инерционность. Датчики, анализирующие скорость изменения температуры в определенный отрезок времени, являются менее инерционными. Кроме того, после срабатывания они не выходят из строя. Как правило, при развертывании систем сигнализации на больших объектах тепловые датчики этого типа используют совместно с дымовыми датчиками, причем подключение тепловых датчиков к приемноконтрольным панелям производиться отдельными шлейфами. Подобная структура противопожарной сигнализации увеличивает надежность ее работы.

Датчики пламени как следует из их названия формируют сигнал тревоги при появлении в зоне их действия открытого пламени. Датчики этой группы менее распространены по сравнению с ранее рассмотренными. Это объясняется тем, что сигнал тревоги формируется на более поздней стадии развития пожара, тем не менее, в некоторых случаях, они являются единственно приемлемыми. В качестве примера можно привести следующие объекты:

– нефтебазы – хранилища нефтепродуктов располагаются на большой площади. Обнаружение дыма на открытом пространстве крайне проблематично. Датчики дыма невозможно сделать герметичными, что препятствует их применению в различных климатических условиях.

13

–производства, связанные с использованием агрессивных химических веществ – например концентрированная азотная кислота при взаимодействии со многими органическими веществами образует открытое пламя без дыма.

–большая концентрация пыли в помещении – угольные котельные. Для обнаружения открытого пламени используются следующие

методы. Во-первых, два фотоприемника с оптическими фильтрами, один фотоприемник обеспечивает обнаружение излучения в инфракрасном диапазоне, другой предназначен для обнаружения излучения в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Признаком наличия открытого пламени является одновременное превышение пороговых значений в канале инфракрасного излучения и в канале ультрафиолетового излучения. Дополнительным признаком, повышающем надежность обнаружения открытого пламени, является анализ интенсивности излучения во времени. Для открытого пламени характерны быстрые колебания уровней излучения в широких пределах в течении короткого промежутка времени (единицы секунд). Основным ограничением применения датчиков пламени является наличие искусственных и естественных помех, способных вызвать срабатывание датчика без наличия пламени. Высокий уровень электромагнитного излучения создается источниками искусственного освещения, солнечным светом, нагретыми телами (радиаторами, работающими двигателями), сварочными работами, отражением излучения зеркальными поверхностями и т. д. Площадь, контролируемая датчиками пламени, не нормируется (как для дымовых и тепловых датчиков), а рассчитывается исходя из расстояния между датчиком и контролируемой поверхностью и паспортного значения угла обзора датчика. Следует отметить, что датчики пламени являются наиболее дорогими приборами и сфера их применения затрагивает в основном промышленные объекты [7].

Газовые датчики. Принцип действия газовых датчиков основан на регистрации изменения состав атмосферы, происходящего в процессе горения различных веществ и материалов. Наиболее распространенные горючие вещества и материалы, как в производстве, так и в быту представляют собой органические соединения. Основными газами, образующимися при сгорании таких веществ, являются углекислый газ (СО2) и угарный газ (СО). Чувствительным элементом, регистрирующим наличие в атмосфере повышенного содержания недоокисленных газов, например, угарного газа, является так называемый датчик Тагучи [6]. Основным компонентом газового датчика является чувствительный

14

элемент, обеспечивающий перевод значения концентрации в атмосфере того или иного газа в электрический сигнал. Начало практическому использованию эффекта влияния газов на электрические свойства поверхности полупроводников положил в 60-х годах японец Н. Тагучи. На основе керамического SnO2 он изготовил газочувствительное устройство, сопротивление которого изменялось пропорционально концентрации некоторых газов в воздухе, и запатентовал его. Позже было установлено, что практически все окислы металлов, являющиеся полупроводниками, обладают газовой чувствительностью. В настоящее время изготавливают датчики газов на основе SnO2, ZnO, NiO, CuO, TiO2, ZrO2, Y2O3, WO3 и других окислов [8]. На рис. 7 показана конструкция типового газового датчика. Датчик размещается на пластине Si, покрытой изолирующим слоем SiO2. Все контакты изготавливаются из платины; конструкция нагревателя обеспечивает однородность температуры на чувствительных элементах в пределах ±2°С.

Рис. 7. Типовой газовый датчик:

1 – контакты чувствительных элементов; 2 – слой газочувствительного материала; 3 – нагреватель; 4 – защитный газонепроницаемый слой

Один из газочувствительных элементов (SnO2) закрывается газонепроницаемым слоем (например, SiO2) и служит элементом сравнения – включается со вторым измерительным элементом в мостовую схему.

15

Включение газочувствительных элементов в мостовую схему показано на рис. 8.

+E

R

Rg2

Рис. 8. Включение газочувствительных элементов в мостовую схему

В данной схеме Rg1 – газочувствительный элемент, Rg2 – газочувствительный элемент, покрытый газонепроницаемым слоем. R – резисторы сопротивление которых равно сопротивлению газочувтсвительных элементов в исходном состоянии (при отсутствии воздействия газа). Выход мостовой схемы подключается к диффренциальному усилителю. Особенность диффренциального усилителя в том, что он усиливает сигнал разность между напряжением на входе «+» и входе «-». Поэтому если напряжение на обоих входах увеличится на одинаковую величину, состояние выхода не измениться. Это позволяет сделать измерительную схему нечувствительной к влиянию температуры и внешних помех. При воздействии температуры, сопротивление обоих газочувствительных элементов будет изменяться одинаково, и напряжение на выходах мостовой схемы будет синхронно повышаться или понижаться. Внешние помехи также одинаково наводятся на провода выходящие из мостовой схемы на состояние выхода влияния не оказывают. При воздействии газа, изменится только сопротивление Rg1, и соответственно измениться напряжение на входе «-» дифференциального усилителя. Появится разность напряжений между входами дифференциального усилителя, которая будет усилена и передана на дальнейшую обработку.

16

Платиновый нагреватель обеспечивает температуру, при которой, чувствительность датчиков максимальна. Кроме того, нагревая датчик до высокой температуры после воздействия газа, восстанавливают его исходное сопротивление. В зависимости от вида легирующей примеси в газочувствительном слое можно сделать датчики для контроля различных газов [8].

Комбинированные датчики, как уже было сказано выше, анализируют два и более параметра, характерных для возникновения пожара и по соотношению уровней сигнала от каждого датчика формируют сигнал тревоги. Основное преимущество комбинированных датчиков – существенное уменьшение вероятности ложных тревог. Если бы ложные срабатывания каждого детектора, входящего в комбинированный датчик, вызывались бы абсолютно различными физическими явлениями (то есть эти события были бы независимыми), то вероятность ложной тревоги Pлт такого датчика равнялась бы произведению вероятностей ложных тревог для каждого из детекторов: Pлт = Pлт1 Pлт2. Так, при Pлт1 = Pлт2 = 10–3 мы потенциально получили бы снижение частоты ложных срабатываний в 1000 раз. Конечно, в реальной ситуации выигрыш не так велик.

Охранные датчики

Как видно из классификации на рис. 1 в зависимости от решаемых задач охранные датчики можно разделить на две большие подгруппы. Датчики для закрытых помещений устанавливаются внутри охраняемого объекта. Сигнал тревоги, формируется, если происходит проникновение в охраняемое помещение. Датчики для открытых пространств, чаще называемые извещатели охраны периметров, устанавливаются по периметру охраняемой территории. Сигнал тревоги формируется при пересечении охраняемой границы.

Датчики для закрытых помещений

В зависимости от принципа действия охранные датчики для закрытых помещений бывают следующих типов:

– ручные охранные извещатели (называемые так же тревожными кнопками) – предназначены для передачи сигнала тревоги на пульт охраны сотрудниками охраняемого объекта. Конструктивно представляют собой кнопки без фиксации. В зависимости от расстояния до пульта охраны могут комплектоваться дополнительными устройствами передачи данных;

17

–датчики состояния предметов интерьера и контролируемой поверхности – предназначены для контроля за положением предметов интерьера (открыты или закрыты двери, окна) и за целостностью контролируемых поверхностей (разбитие стекла, разрушение двери);

–датчики обнаружения движущегося теплового пятна – сигнал тревоги формируется, если в зоне действия датчика появляется движущиеся тепловое пятно с размерами больше пороговых;

–датчики обнаружения изменения внутреннего объема – сигнал тревоги формируется при изменении внутреннего объема помещения. Например, при входе человека в помещение свободный объем уменьшится.

–комбинированные датчики – представляют собой установленные

водном корпусе два охранных датчика реагирующих на разные физические факторы.

Рассмотрим более подробно принципы действия автоматических охранных датчиков.

Датчики состояния предметов интерьера и контролируемой поверхности.

В эту группу входят датчики, выполняющие следующие функции:

–контроль за положением закрывающихся проемов (двери, окна) – сигнал тревоги формируется если окна или двери открыты. Принцип действия датчика прост. На открывающуюся часть устанавливается миниатюрный магнит, а на дверной проем магниточувствительный элемент (геркон), контакты которого замыкаются, если вблизи его находится источник магнитного поля. Датчики этого типа очень дешевы. Подобные датчики устанавливаются совместно с охранными датчика из других групп. Системы охраны основанные только на герконовых датчиках встречаются крайне редко.

–контроль за состоянием поверхностей – сигнал тревоги формируется, если происходит разрушение контролируемой поверхности. Как правило, контролируется состояние оконных стекол. Менее распространены датчики, контролирующие состояние дверей и стен.

При разрушении стекла в пространство излучаются звуковые колебания в широком диапазоне частот. Кроме того, уровень сигнала во времени имеет характерную форму. Для повышения надежности работы датчиков разбития стекла, они выполняются в соответствии со следующей блок-схемой (рис. 9).

Микрофон служит для преобразования звуковых колебаний в электрический сигнал. Усилитель обеспечивает необходимый для надежной обработки уровень сигнала. Полосовые фильтры позволяют опре-

18

делить спектральный характер сигнала. Как правило, используется два полосовых фильтра. Схема обработки определяет уровень сигнала на выходах полосовых фильтров и анализирует форму сигнала во времени. При совпадении всех условий (превышение пороговых значений на выходах обоих фильтров и определенная форма зависимости акустического сигнала от времени) формируется сигнал тревоги. На рис. 10 показаны варианты установки датчиков.

4

Рис. 9. Блок-схема датчика разбития стекла.

1 – микрофон; 2 – усилитель; 3, 4 – полосовые фильтры; 5 – схема обработки и формирования тревожного сообщения

Рис. 10. Варианты установки датчиков разбития стекла

Как видно из рисунка необходимость установки датчиков непосредственно на стекло отсутствует, что упрощает монтаж системы и сохраняет внешний вид помещении практически неизменным. Необ-

19

ходимо напомнить о датчиках состояния стекла герконного типа. В настоящие время они практически вышли из употребления. Конструкция датчика такова, что геркон остается замкнутым только при определенном положении датчика в пространстве. Если стекло разбивается положение естественно изменяется и магнит отходит от датчика, что вызывает размыкание контактов геркона. Недостатки этих датчиков очевидны: необходимо на каждый элемент остекления устанавливать отдельный датчик, что увеличивает затраты на монтаж и ухудшает внешний вид помещения.

Рис. 11. Конструкция датчика контролирующего состояние двери

Датчики, контролирующие состояние дверей и стен применяются чаще всего в помещениях связанных с хранением денег и других ценностей. Датчики бывают двух типов: проводные и вибрационные. Про-

20