2.3 Регистраторы открытого пламени

Любой очаг горения является источником оптического излучения в диапазо­не от инфракрасного до ультрафиолетового. Обнаружение такого излучения с по­мощью фотоприемного устройства, имеющего высокую спектральную чувстви­тельность в ультрафиолетовой или инфракрасной области, но нечувствительного к видимой части спектра, и является задачей оптических извещателей (регистрато­ров) открытого пламени.

Обычно используют инфракрасные оптические приборы (рис. 4.8). Датчик в них может быть как вмонтированным в приемник-преобразователь, так и вынос­ным. В последнем случае датчик устанавливается непосредственно в контроли­руемой зоне и соединяется с приемником, устанавливаемым вне ее, оптоволокон­ным кабелем (длина до 20 м).

Рис.4.8 Структурная схема (а) и внешний вид (б) оптоэлектронных извещателей

открытого пламени

1 - усилитель; 2 - источник опорного напряжения; 3 - пороговый компаратор

Оптические извещатели открытого пламени это малоинерционные уст­ройства, с минимальным временем обнаружения очага пожара. Угол обнаружения - 90-120°, дальность - от 13 до 32 м. Они могут обнаруживать как тлеющие очаги.

48

49

так и открытое пламя. Их недостаток состоит в том, что, если очаг горения засло­няют строительные элементы или мебель, извещатель его не зафиксирует. Неза­менимы такие приборы там, где возможно быстрое возникновение пламени без дыма (машинное отделение, склады горюче-смазочных веществ, помещения с электрической аппаратурой).

2.4 Газовые пожарные извещатели

Газовый извещатель реагирует на газы, выделяющиеся при тлении или го­рении материалов. Газовые извещатели могут реагировать на оксид углерода (уг­лекислый или угарный газ), углеводородные соединения. Извещатели должны реагировать, как минимум, на один из приведенных ниже газов при концентрации в пределах: С0₂ - 1000...1500 ррт; СО - 20...80 ррт; С_ХН_У - 10...20 ррт.

Угарный газ (СО) является основным характерным газовым компонентом, выделяющимся на стадии тления в результате пиролиза материалов, используе­мых в строительстве. На начальной стадии пожара, при тлении, концентрация СО быстро увеличивается, но при появлении пламени наоборот падает, зато растет концентрация двуокиси углерода (СОг).

Что очень важно, вместе с СО при тлении всех органических материалов выделяется водород (Нг), который отсутствует в обычных условиях в атмосфере. Несмотря на небольшие концентрации водорода, выделяемого в воздух помеще­ния, его легко детектировать при наличии высокочувствительных и селективных датчиков водорода, например на полупроводниковых сенсорах.

Пожарные извещатели на основе газовых сенсоров способны предупредить пожары на самых ранних стадиях возгорания. Для эффективного применения га­зовые извещатели должны обладать следующими свойствами:

• чувствительностью для водорода 0,00001...0,0002%, для угарного газа 0,0001. ..0,008%;

• быстродействием (2...5 с)

• низким энергопотреблением (менее 50 мВт);

• долговечностью (10...60 тыс. ч);

• стабильностью работы;

• низкой стоимостью (1 ...3 долл.).

На начальном этапе пожара, когда тлеет еще небольшое количество мате­риала, "пожарные газы" растворяются в объеме помещения и их концентрация ма­ла. Отсюда требование к порогу чувствительности сенсоров - от 0,0001% для СО и 0,00001% для Н₂. Требования к быстродействию сенсоров вытекают из скорости диффузии газов и конвекции воздушной массы в помещении, а также динамики развития пожароопасного процесса.

В качестве чувствительных элементов газовых пожарных измещателей наи­более перспективными являются полупроводниковые сенсоры. Принцип действия

полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным оптическим, тепловым и дымовым сигнализаторам, в том числе содержащим ра­диоактивный америций. А высокую чувствительность, селективность, быстродей­ствие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков следует рассматривать как основные их преимущества перед другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов со­четаются с современными микроэлектронными технологиями, что обусловливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические и энергосберегающие характеристики.

Для того, чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревается до температуры 450-500°С, что активизирует его поверхность. В качестве чувствительных полупро­водниковых слоев обычно используют мелкодисперсные оксиды металлов (Sn0₂, ZnO, I112O3 и др.) с легирующими добавками PI, Pd и др. Благодаря структурной пористости формируемых материалов, достигаемой с помощью некоторых техно­логических приемов, их удельная поверхность - около 30 м²/г. Нагревателем слу­жит резистивный слой, выполненный из инертных материалов (PI, Ru0₂, Au и др.) и электрически изолированный от полупроводникового слоя.

При кажущейся простоте такие методы формирования сконцентрировали в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной техноло­гии. Это обусловило высокую конкурентоспособность сенсора, который может работать несколько лет, периодически находясь в "стрессовом" состоянии при ра­зогреве до 500°С, сохраняет при этом высокие эксплутационные характеристики, чувствительность, стабильность, селективность и малую потребляемую мощность (в среднем несколько десятков милливатт). Разработанные приборы делятся на две группы; металлооксидные и структурные полупроводниковые сенсоры.

Металлооксидные сенсоры изготавливаются по толстопленочной техноло­гии. В качестве подложки в них использован поликристаллический оксид алюми­ния, на который с двух сторон нанесены нагреватель и металлооксидный газочув­ствительный слой (рис.4.9). Чувствительный элемент помещен в газопроницаемый корпус, удовлетворяющий требованиям взрывопожаробезопасности.

Структурные полупроводниковые сенсоры. Это сенсоры на основе крем­ниевых структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП). МДП-структуры с за­твором из палладия или платины используются для определения концентрации водорода в воздухе или инертных газах. Порог обнаружения водорода порядка 0,00001%.

50

51