2.Устройство и принципы действия тпи

Принцип действия ТПИ отражает физическую природу процесса преобразования информации о значении контролируемой температуры, осуществляемую чувствительным элементом. Основой чувствительного элемента могут являться легкоплавкие сплавы, ферромагнитные материалы, термопары, биметаллические пластины, полупроводниковые термосопротивления и др. Многообразие официально зарегистрированных принципов действия ТПИ отображено на рис. 1, но оно далеко не исчерпывается приведенным перечнем.

Рис.1. Классификация тепловых пожарных извещателей

Первый автоматический ПИ был разработан в 1960-е гг. Он состоял из двух проводников, спаянных специальным сплавом, разрушающимся под воздействием температуры и вследствие этого размыкающим электрический контакт. Поскольку сплав разрушался, то необходимо было менять ПИ после срабатывания.

Другой разработкой был ПИ, использующий геркон (герметизированный контакт с двумя кольцевыми магнитами). При повышении температуры магниты теряют свои свойства, что приводит к переключению геркона и размыканию электрической цепи. Применение геркона позволило сделать ПИ многоразовым.

Рассмотрим устройство современного автоматического точечного теплового пожарного извещателя (Рис.2).

Рис.2 Тепловой ПИ

Корпус из огнестойкой пластмассы, в который помещен извещатель пожарный тепловой, выполнен с защитой от попадания мелких брызг воды и твердых предметов диаметром более 1 мм. Корпус теплового извещателя монтируется на стандартное базовое основание, совместимое с адресно-аналоговыми ионизационными, дымовыми и тепловыми извещателями.

Чувствительный элемент извещателя выполнен на основе термотранзистора. Ток через «запертый» p-n переход термотранзистора изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, поэтому извещатель пожарный тепловой может фиксировать не только абсолютное значение температуры, но и скорость ее изменения (при предварительной обработке измеряемой температуры). Если температура или скорость ее роста превышает заданное пороговое значение, извещатель пожарный тепловой передает на прибор приемно-контрольный сигнал тревоги, который включает системы оповещения, пожаротушения и другие связанные с прибором инженерные системы здания. Построенные на термотранзисторах тепловые пожарные извещатели отличает высокая чувствительность. Характерная нелинейность характеристики для встроенного в извещатель термотранзистора компенсируется применением специальной мостовой схемы, монтированной на печатной плате.

Определенной вехой в истории развития тепловых ПИ стало появление линейных тепловых извещателей. Их основное преимущество — возможность защиты одним сенсором протяженного пространства.

Такие ПИ имеют ряд преимуществ по сравнению с рассмотренными ранее извещателями.

Во-первых, они дают возможность установки алгоритма работы в блоке обработки (который может быть установлен вне зоны контроля).

Во-вторых, эти ПИ обеспечивают наличие так называемого коммулятивного (суммирующего) действия, что позволяет суммировать значения сопротивления по длине отрезка кабеля, подвергнувшегося нагреву. Особую актуальность коммулятивное действие приобретает на больших высотах. Действительно, теплая струя воздушного потока, поднимаясь вверх от источника возгорания, на высотах около 10 м начинает значительно расширяться из-за смешивания теплого воздуха с более холодным. При этом падает температура восходящей струи, но увеличивается площадь воздушного потока, что делает применение точечных максимальных ПИ неэффективным. Каждая точка рассматриваемого термокабеля прогревается слабее, но на большей длине. Абсолютное изменение сопротивления кабеля остается достаточным для возможности обнаружения очага пожара. Таким образом, высота установки рассматриваемого ПИ оказывает меньшее влияние на его способность обнаружения, чем на точечные тепловые ПИ.

Существует несколько типов линейных тепловых пожарных извещателей, конструктивно отличающихся друг от друга:

- полупроводниковый — линейный тепловой пожарный извещатель, у которого в качестве сенсора температуры используется покрытие проводов веществом, имеющим отрицательный температурный коэффициент. Данный вид термокабеля работает только в комплекте с электронным управляющим блоком. При воздействии температуры на любой участок термокабеля изменяется сопротивление в точке воздействия. С помощью управляющего блока можно задать разные пороги температурного срабатывания;

- механический — в качестве сенсора температуры данного извещателя используется герметичная металлическая трубка, заполненная газом, а также датчик давления, подключенный к электронному блоку управления. При воздействии температуры на любой участок сенсорной трубки изменяется внутреннее давление газа, значение которого регистрируется электронным блоком. Данный тип линейного теплового пожарного извещателя многоразового действия. Длина рабочей части металлической трубки сенсора имеет ограничение по длине до 300 метров:

- электромеханический — линейный тепловой пожарный извещатель, у которого в качестве сенсора температуры используется термочувствительный материал, нанесенный на два механически напряженных провода (витая пара) (Рис.3.).

Рис.3. Устройство линейного ПИ на основе термокабеля

Принцип действия

При достижении порогового значения температуры, под действием давления проводников, происходит разрушение изоляционного покрытия из теплочувствительного полимера, что позволяет проводникам войти в контакт друг с другом. Это происходит в первой точке перегрева на трассе термокабеля. Для срабатывания сигнала не надо ждать нагрева участка, имеющего определенную длину. Термокабель Protectowire является максимальным тепловым извещателем, и поэтому он позволяет генерировать сигнал предтревоги и тревоги при достижении температурного порога (+68,3 °C или +93,3 °C) в любой точке по всей длине кабеля. Данный термокабель является единым датчиком непрерывного действия и позволяет до появления огня или дыма точно определить ист. нагрева в любом месте на всем своем протяжении.

К недостаткам такого кабеля следует отнести то, что это не перестраиваемая по температуре система. К тому же, обнаружив перегрев, плавкая пара замыкается и "умирает". Кроме того, извещатели не отличают пожар от короткого замыкания.

Более современные линейные пожарные извещатели лишены этих недостатков, но каждый из них имеет свои особенности.

Оптоволоконный линейный тепловой извещатель пожара.

Пожарный оптоволоконный линейный тепловой извещатель DTS марки Esser выполняет мониторинг температуры окружающего пространства с помощью сенсорного оптоволоконного кабеля. Каждый линейный извещатель поддерживает работу двух измерительных каналов, а дистанция измерения составляет до 8 км на один канал. При этом сенсорный линейный кабель может монтироваться как в радиальной, так и в кольцевой конфигурации. Благодаря тому, что мощность лазера DTS составляет менее 20 мВт, персонал, работающий с устройством, не нуждается в специальных допусках. Этот оптоволоконный детектор обеспечивает локализацию возгорания с точностью до 1 м и cохраняет работоспособность при температурах до 750

Тепловые извещатели DTS измеряют распределение температуры в оптоволоконном проводнике длиной несколько километров. Такие пожарные детекторы изначально содержат в себе тысячи адресных измерительных точек, причем контроль температуры проводится по всей длине проводника одновременно. В своей работе линейный извещатель использует эффект Рамана: лазерные импульсы, проходя вдоль проводника, рассеиваются на его молекулах, отражаясь в различных направлениях. Часть рассеянного импульса достигает приемника извещателя, где подвергается анализу. Таким образом, определяя интенсивность Рамановского рассеяния, линейный пожарный детектор вычисляет температуру в заданной точке оптоволокна. В данном случае координаты точки определяются по величине задержки отраженного сигнала.

Важным дополнительным классификационным признаком является также селективная чувствительность тепловых пожарных извещателей к тестовым очагам пожара по ГОСТ Р 50898-96. Тестовый очаг пожара - горение строго определенных материалов, при котором в стандартном помещении обеспечиваются заданные параметры среды. Для каждого такого очага характерно определенное сочетание сопутствующих факторов (признаков), что позволяет использовать тестовые очаги при испытаниях пожарных извещателей

Таблица 1. Селективная чувствительность тепловых пожарных извещателей к тестовым очагам пожара

Тип тестового пожара по ГОСТ Р 50898-96	ТП-1	ТП-2	ТП-3	ТП-4	ТП-5	ТП-6
Класс пожара по ГОСТ 27331	А2	А1	А1	А2	В2	В2
Характеристика пожара	открытое горение древесины	пиролиз древесины	тление хлопка	открытое горение пластмассы	горение гептана	горение спирта
Основные сопутствующие факторы	дым, пламя, тепло	дым	дым	дым, пламя, тепло	дым, пламя, тепло	пламя, тепло
Характеристика обнаружения пожара тепловым пожарным извещателем	хорошее	плохое	плохое	хорошее	хорошее	очень хорошее

Рис. Схема ПС с подключением термокабеля

Рис. Система ПС объектовая

.

Пожарные извещатели пламени.

В отличии практически от всех других типов пожарных извещателей, которые предназначены только для внутренней установки, извещатели пламени позволяют защищать наружные зоны большой площади, в том числе и во взрывоопасных зонах. Они обеспечивают минимальное время обнаружения загорания материалов, не имеющих стадии тления, например, легко воспламеняющихся жидкостей и пластмасс.

Согласно ГОСТ Р53325-2009 извещатель пожарный пламени (ИПП) - это автоматический пожарный извещатель, реагирующий на электромагнитное излучение пламени или тлеющего очага. Напомним ещё раз, что электромагнитное излучение пламени можно разложить на области ультрафиолетового, видимого и инфракрасного (ИК) спектра (рис. 1).

Каждый спектр занимает определенный диапазон и содержит волны определенной длины. К ультрафиолетовой (УФ) области относится излучение с длинами волн от 0,1 до 0,4 мкм. Видимой области соответствует диапазон длин волн от 0,4 до 0,76 мкм, что составляет ничтожную часть электромагнитного спектра. Диапазон ИК-излучения (примерно от 0,8 до 100 мкм), рассматривают как три области: коротковолновая область (ближнее ИК-излучение), средневолновая и длинноволновая (дальнее ИК-излучение).

Пламя горючих газов, паров и жидкостей является источником электромагнитного излучения, имеющим свои особенности в различных областях спектра. Отличие спектров друг от друга породило разновидности типов датчиков, способных оптически улавливать электромагнитное излучение и преобразовывать его внутри прибора в электрическую энергию. Каждый очаг горения имеет свою индивидуальную спектральную характеристику, поэтому выбор типа датчика необходимо проводить с учетом особенностей источников излучения, расположенных в поле его зрения.

Классификация очагов горения

Согласно ГОСТ Р53325-2009 очаги тестовых пожаров классифицируют на следующие типы: ТП-1 - открытое горение древесины; ТП-2 - пиролизное тление древесины; ТП-3 - тление со свечением хлопка; ТП-4 - горение полимерных материалов; ТП-5 - горение ЛВЖ с выделением дыма; ТП-6 - горение ЛВЖ без выделения дыма.

Сертификационные испытания, а также проверка работоспособности извещателей пламени проводятся с помощью очагов ТП-5 и ТП-6. Хорошо обнаруживаются извещателями очаги горения ТП-1 и ТП-4, а вот обнаружить тлеющие очаги (ТП-2 и ТП-3) с помощью датчиков пламени на практике оказалось очень сложно. Причиной этого является отсутствие пульсаций, характерных для открытого очага пламени, и особенности спектральной характеристики тлеющего очага, распознать который известными на сегодняшний день методами обнаружения, используемыми у извещателей пламени, затруднительно.

Четкая классификация типов извещателей пламени представлена в ГОСТ 53325-2009, однако алгоритм обнаружения открытого огня сугубо индивидуален у каждого производителя. Нормативные документы не оговаривают, каким образом извещатели пламени должны обнаруживать очаг пожара, поэтому попробуем рассказать о типах датчиков, используя основополагающие принципы идентификации пламени, которые применяют большинство специализированных предприятий. Это принципы спектрального, частотного анализа и принцип спектральной селекции.

Извещатели пламени по чувствительности подразделяют на четыре класса в зависимости от расстояния, при котором наблюдается устойчивое срабатывание извещателей от воздействия излучения пламени тестовых очагов ТП-5 и ТП-6 по ГОСТ 50898, за время, установленное изготовителем в ТУ на извещатели конкретных типов, но не более 30 с.

Класс	Расстояние обнаружения, м
Первый класс	25
Второй класс	18
Третий класс	12
Четвёртый класс	8

По спектру электромагнитного излучения, воспринимаемого чувствительным элементом, извещатели пламени делятся на группы: - группа извещателей, реагирующая на ультрафиолетовую часть спектра (УФ);

- группа извещателей, реагирующая на инфракрасную часть спектра (ИК);

- группа извещателей многодиапазонных (многоспектральных), работающих одновременно в нескольких диапазонах.

Вторая группа реагирует на горение веществ, содержащих углерод. УФ-извещатели способены работать в запыленных помещениях, так как излучение в инфракрасной части спектра слабо поглощается пылью.

Рассмотрим первую группу извещателей.

Ультрафиолетовый извещатель пламени с помощью высоковольтного газоразрядного индикатора постоянно контролирует мощность излучения в спектральном диапазоне 220-280 мкм. При появлении возгорания резко повышается интенсивность разрядов между электродами индикатора, что и фиксируется при превышении порога излучателем. Один такой извещатель может контролировать до 200 кв. м поверхности при высоте установки до 20 м. Инерционность его срабатывания не превышает 5 секунд.

Этот вид датчиков стал использоваться в системах пожарной сигнализации не так давно, однако с каждым днем он становится все популярнее. Чаще всего производители УФ-датчиков используют диапазон от 185 до 280 нм -область жесткого ультрафиолета. Земная атмосфера Земли защищает нас от жестких солнечных УФ-лучей, в результате до земной поверхности никогда не доходят лучи с длиной волны меньше 286 нм. Именно поэтому ультрафиолетовые датчики не реагируют на солнечное излучение, которое является мощным источником оптических помех. Доля ультрафиолета в общем потоке излучения нагретого тела сильно зависит от его температуры. Так, практически все излучение в сильно разогретых телах (лампах накаливания, галогенных и люминесцентных лампах, печах и др.) приходится на видимую и инфракрасную области спектра. Вот почему ультрафиолетовые извещатели довольно помехоустойчивы к нагретым телам и частям оборудования. Еще одним преимуществом УФ-датчиков можно считать быстроту реагирования от 0,5 с (за счет чего ими можно контролировать взрыв) и большую дальность обнаружения - до 80 м. Однако стоит помнить о том, что расстояние до очага пламени прямо пропорционально площади, охваченной огнем, то есть чем больше дальность обнаружения, тем больше должна быть площадь возгорания. Согласно ГОСТ Р53325-2009 извещатели 1-го класса чувствительности обнаруживают очаги ТП-5 и ТП-6 на расстоянии 25 м - это оптимальная зона контроля. УФ-излучение интенсивно поглощается дымом, газами и парами многих горючих веществ, таких как аммиак, нитробензол, ацетон, бензол, фенол, этанол, сероводород и др., поэтому при горении, например, очага ТП-5 большая дальность обнаружения теряет всякий смысл. Ложное срабатывание УФ-извещателей могут вызвать рентгеновские лучи, гамма-излучение, а также излучение, возникающее при электродуговой сварке, разряде молнии и высоковольтной дуге. Ультрафиолетовые датчики чувствительны к запыленности помещения, поэтому требуют постоянного ухода за чувствительным оптическим элементом. Нецелесообразно использовать их в помещениях, где в процессе производства выделяется пыль и горючие газы, в зонах резки металла, а также в покрасочных камерах.

Рассмотрим инфракрасные извещатели.

Энергия в спектре у различных горючих веществ распределяется неравномерно - более 80% ее приходится на инфракрасную часть - самую большую часть спектра излучения. Все тела без исключения, твердые и жидкие, нагретые до определенной температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Мощным источником ИК-излучения является солнце, поэтому однодиапазонные извещатели пламени могут выдать ложный сигнал о пожаре из-за воздействия солнечных лучей. Такие датчики применяют только в простых условиях -там, где нет мощных источников помех: теневых зонах помещения или на складах хранения различных материалов.

Пожарные извещатели, реагирующие на ИК излучение пламени очага загорания по принципу действия разделяются на три вида: * извещатели, реагирующие на эффект пульсации (мерцания) ИК излучения пламени обнаруживаемого очага загорания, где за полезный сигнал принимается только его изменение с частотой от 2 до 40 Гц (пульсация), характерное для свободного горения материалов. * извещатели, реагирующие на постоянную составляющую пламени; * извещатели, реагирующие на излучение в различных диапазонах спектра ИК излучения (многодиапазонные датчики).

Для реализации извещателей идентифицирующих пламя по эффекту пульсации необходимо иметь приемник излучения, способный фиксировать низкочастотные колебания пламени в диапазоне от 2 до 20 Гц. Популярность этого метода связана с тем, что в очагах пожара, как правило, имеют место низкочастотные колебания интенсивности излучения пламени, а изменение интенсивности излучения — необходимое условие для работы подавляющего большинства приемников излучения, будь то пироприемник, фотодиод или фоторезистор. Определенным преимуществом обладают пироприемники — широкополосные приемники ИК-излучения. Ведущие иностранные производители используют их практически во всех своих разработках. Однако всем использующим пироприемник датчикам пламени для надежной его идентификации требуется от единиц до десятков секунд. Специальные режимы настройки датчика способны обеспечить минимальное время срабатывания 25-30 мс, но ценой резкого снижения чувствительности и помехозащищенности. Попадание в поле зрения чувствительного элемента колеблющихся с аналогичной частотой световых приборов (мерцание мигалок, вращающиеся маячки на погрузчиках и спецтехнике) создает оптическую помеху для приборов этого типа. Проблема решается путем установки микропроцессорной обработки сигнала с использованием более сложных алгоритмов.

Использование в одном устройстве двух-трех ИК-каналов, работающих в разных диапазонах, решает проблему с мощными оптическими помехами. Логично, что, получив подтверждающую информацию из нескольких каналов, можно сделать правильный вывод об источнике излучения, поэтому комбинация нескольких ИК-каналов и микропроцессорной обработки делает многодиапазонные датчики наиболее совершенными и помехоустойчивыми. ИК-излучение хорошо проникает сквозь дым, пыль, гарь, копоть, загрязнения чувствительного элемента -такой тип датчиков незаменим в производственных цехах, ремонтных депо, на промышленных и особо ответственных объектах.

Чтобы свести к минимуму количество ложных срабатываний, часть производителей выпускают датчики, реагирующие на два спектра излучения - ультрафиолетовый и инфракрасный. Здесь используется принцип спектральной селекции. Для реализации этого метода выбираются несколько приемников (или один матричный многодиапазонный), способных реагировать на излучение в различных участках спектров излучения источника. Как правило, такие датчики имеют высокую степень защиты оболочки, взрывобезопасное исполнение и используются на особо ответственных объектах нефтегазового комплекса.