В рубрику "Охранная и охранно-пожарная сигнализация, периметральные системы" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
И.Г. Неплохов
Технический директор компании "Центр-СБ", к.т.н
Дымовые оптико-электронные пожарные извещатели широко используются для защиты от пожара. Они обеспечивают раннее обнаружение пожара на этапе тления очага и по НПБ110-03 должны использоваться для защиты большинства объектов
В отличие от тепловых извещателей дымовые реально защищают жизнь людей, обнаруживая пожароопасную ситуацию еще до заполнения основной части помещения дымом и угарным газом. Хорошо известны и недостатки оптических дымовых извещателей -это ложные срабатывания от пыли, пара, аэрозолей и т.д. Для нейтрализации этих воздействий используются дополнительные сенсоры (Например, контролирующие концентрацию угарного газа, изменение температуры), что значительно повышает стоимость извещателя. В аспирационных извещателях с этой целью устанавливаются дополнительные фильтры с ячейкой порядка 30 мк. Однако существует значительно более дешевое техническое решение, которое не только защищает дымовой извещатель от ложных срабатываний, но и, в отличие от мультисенсорных технологий, одновременно устраняет другой недостаток- повышает его чувствительность к "черным" дымам до уровня радиоизотопного извещателя. Этот способ основан на зависимости уровня рассеянного сигнала от диаметра частиц и от длины волны излучателя, при использовании в оптопаре двух излучателей с различными длинами волны.
Свойства дымов различного типа
Дым состоит из видимых и невидимых частиц различного размера, структура дыма зависит от вида очага и условий окружающей среды. В зависимости от реализованного физического процесса обнаружения, схемотехнических и конструктивных особенностей дымовые пожарные извещатели имеют неодинаковую чувствительность к дымам различных типов. Линейные оптико-электронные детекторы, использующие технологию затухания света при прохождении через контролируемую зону, определяют как видимые, так и невидимые частицы. Их чувствительность достаточно стабильна по отношению к изменению размеров частиц дыма. Радиоизотопные детекторы, определяющие наличие дыма посредством ионизации молекул воздуха в дымовой камере, имеют линейную, обратно пропорциональную зависимость чувствительности от размера частиц. Наиболее чувствительны такие детекторы к присутствию очень мелких (от 10 нм) невидимых частиц, они реагируют даже на изменение влажности воздуха, из-за чего приходится вводить дополнительную компенсационную камеру.
Объясняется это тем, что при постоянной массе частиц, но с уменьшением их размера, увеличивается суммарная поверхность частиц, на которой происходит рекомбинация ионов, и соответственно на большую величину снижается ионизационный ток, протекающий через камеру. Оптико-электронные детекторы, использующие технологию рассеянного света [1], имеют максимальную чувствительность по дымам, размер частиц которых (0,5-1 мк) соизмерим с длиной волны. На рис. 1 показан относительной уровень чувствительности детекторов, использующих три названных выше способа дымоопределения, в зависимости от диаметра частиц, при условии постоянства их суммарной массы [2].
Считается, что размер частиц дыма варьируется в пределах от 0,1 мк в диаметре (частицы такого размера преобладают в горящем пламени) до частиц, которые могут быть крупнее на порядок и более, что является характеристикой очага в беспламенной стадии горения [3].
Фактический размер частиц зависит от совокупности многих данных, например: от физического состава очага, концентрации кислорода в воздухе, характера газообмена и от других параметров окружающей среды, особенно от влажности. Более того, размер частиц дыма с течением времени изменяется, по мере охлаждения газа частицы размером меньше микрона соединяются друг с другом, а самые крупные частицы выпадают в осадок. Другими словами, при удалении дыма от очага в распределении размера частиц наблюдается относительное снижение числа частиц минимального размера. Частицы пара, бытовых аэрозолей и пыли имеют значительно большие размеры. Известны эффективные технические решения, в которых для защиты точечных дымовых извещателей от пыли и пара используются фильтры с ячейкой около 30 мк.
При тлеющих пожарах с участием углеродосодержащих материалов в основном выделяются серые дымы с размером частиц, соизмеримым с 1 мкм, при горении пластмасс и горючих жидкостей образуются аэрозоли с меньшими размерами частиц. Тестовые очаги, дающие спектр дымов, достаточно широко определены в европейских стандартах ЕМ 54-7, EN 54-1 2, EN 54-20 и т.д., использующихся для сертификационных испытаний дымовых детекторов. Эти тестовые очаги также приведены в ГОСТ Р50898-96 "Извещатели пожарные. Огневые испытания".
Определено шесть тестовых очагов: TF1 - горение древесины, TF2 - тление древесины, TF3 -тление хлопка, TF4 - горение пенополиуретана, TF5 - горение N-гептана, TF6 - горение спирта. Испытания проводятся в помещении площадью 70 м2, высотой 4 м. В стандартах определены не только состав и размеры очагов, но и способы их активизации, что позволяет обеспечить повторяемость результатов. Тестовые очаги имеют малые размеры и имитируют начальную стадию развития пожара. На рис. 2 приведены номограммы для тестовых очагов TF1 - TF6, характеризующие соотношение в составе дымов невидимых частиц малого размера, видимых частиц крупного размера и степень выделения тепла [4]. Дымы тлеющих очагов TF2 и TF3 содержат значительную часть крупных частиц, дымы очагов с открытым пламенем в основном состоят из частиц меньшего размера. При горении спирта дым практически не выделяется, и тестовый очаг TF6 при испытаниях дымовых пожарных извещателей не используется.
Физическая модель оптического извещателя
В дымовых оптико-электронных извещателях используется оптопара - светодиод и фотодиод, расположенные в дымовой камере таким образом, что при отсутствии дыма на фотодиод попадает минимальный уровень сигнала. При появлении дыма сигнал фотодиода резко увеличивается за счет рассеяния излучения свето-диода на частицах дыма (рис. 3).
Уровень и диаграмма рассеянного сигнала в основном зависят от соотношения размеров частиц и длины волны света. Рассеяние света на частицах размером меньше 1/10 длины волны (молекулярное рассеяние) впервые было изучено и описано Рэлеем [1 ]. По закону Рэлея интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Рассеяние аксиально-симметрично относительно направления распространения падающей волны. При неполяризованной волне максимумы рассеяния, направленные вперед и назад, одинаковы по величине, минимальное рассеяние наблюдается в перпендикулярном направлении.
Теорию рассеяния при больших размерах частиц развил немецкий физик Густав Ми в 1908 г. Этот вид рассеяния, названный по его имени "рассеянием Ми", существенно отличается от рэлеевского рассеяния. С увеличением относительного размера частиц появляется асимметрия рассеяния, увеличивается рассеяние, направленное вперед.
При дальнейшем увеличении относительных размеров частиц происходит существенное изменение диаграммы. Она еще больше вытягивается вперед и становится изрезанной по другим направлениям, появляются боковые максимумы. В дымовых оптических извещателях традиционно используются светодиоды инфракрасного диапазона с длиной волны порядка 950 нм, с расположением оптических осей под углом порядка 120°. Соответственно изрезанность диаграммы в этом случае будет отсутствовать при наличии дыма с частицами размером порядка 0,5 мк.
При больших размерах частиц дыма диаграмма рассеяния становится более узкой, и уровень сигнала в направлении фотодиода снижается.
Синий светодиод в дымовом извещателе
В 1990 г. японский изобретатель Судзи Накамура из корпорации Nichia Chemical Industries изобрел дешевый синий светодиод, и к 1993 г. был начат индустриальный выпуск таких светодио-дов. Длина волны синего светодиода равна 470 нм,тоестьона вдва раза меньше длины волны инфракрасного светодиода. Соответственно использование синих светодиодов в оптопаре позволяет обнаруживать более мелкие частицы дыма, для выявления которых ранее применялись радиоизотопные извещатели. В этом случае кривая чувствительности на графике рис. 1 сместится влево, и максимум будет располагаться в районе дымов с размерами частиц порядка 235 нм (0,235 мк). Кроме того, при анализе соотношения уровня рассеянного света одновременно в инфракрасном и в синем диапазонах появилась возможность оценить размеры частиц в диапазоне примерно от 0,2 до 1 мк.
На рис. 7 приведено соотношение уровня рассеяния излучения синего и инфракрасного светодиодов, полученное в оптической камере при использовании частиц полистирола различного размера. Интенсивность рассеяния синего света мелкими частицами размером менее 0,2 мк в 15 раз выше интенсивности рассеяния инфракрасного света. С увеличением размера частиц это отношение уменьшается и при размере частиц около 1 мк стабилизируется на минимальном уровне [5].
Используя этот эффект, одна из японских корпораций предложила простой способ защиты дымового извещателя от воздействия пара и пыли. Был разработан так называемый двухдиапазонный оптический пожарный извещатель: в дымовой камере дополнительно установили синий светодиод под тем же углом относительно фотодиода, что и инфракрасный светодиод (рис. 3). Производилось измерение сигнала фотодиода при излучении синего светодиода и при излучении инфракрасного светодиода Далее производилась обработка результатов измерений.
Результаты экспериментальных исследований
Были проведены испытания двухдиапазонного оптического извещателя на тестовые очаги TF1, TF2, TF3, TF4, TF5 и на воздействие пыли и пара [5]. На рис. 5, 6 для примера приведены уровни отражения от синего и инфракрасного светодо-дов и их отношение при очагах TF1 - горение древесины и TF2 - тление древесины. Отношение сигналов на выходе фотодиода при включении синего и инфракрасного светодиодов в процессе испытаний практически не изменялось и находилось в первом случае в районе 5, во втором - в районе 2.
Необходимо также отметить, что обнаружение дыма при открытом горении дерева в синем диапазоне происходит значительно раньше, чем в инфракрасном, что показывает существенно большую эффективность оптических извещате-лей синего диапазона для обнаружения очагов открытого пламени, по сравнению с традиционными инфракрасными извещателями.
На рис. 7 приведены данные о соотношении сигналов в синем и инфракрасном диапазонах при проведении тестов с очагами TF1, TF2, TF3, TF4, TF5, а также при воздействии пара, пыли и бытовых аэрозолей (например, лак для волос), которые являются основными причинами формирования ложных тревог оптическими извещателями. В зависимости от типа очага были получены различные значения отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазонах, однако в наихудшем случае для очага TF2 минимальное отношение составило около 2, а при воздействии частиц, не связанных с пожаром, оно примерно равно 1 Это объясняется тем, что размер частиц пара, пыли и аэрозоли превышает длину волны синего и инфракрасного светодиодов.
Данные результаты показывают возможность идентификации вида воздействия в двухдиапазонном оптическом извещателе. Порог для разделения дымов и других воздействий, не связанных с пожаром, был установлен на уровне 1,4. Если отношение сигналов превышает 1,4, извещатель формирует сигнал "Пожар", если не превышает 1,4 - сигнал "Пожар" не формируется.
Дальнейшим развитием алгоритма обработки результатов измерений в двухдиапазонном оптическом извещателе стало использование канала синего диапазона для выравнивания показателей чувствительности извещателей, которые они демонстрируют в ходе тестирования с применением очагов с открытым пламенем и тлеющих очагов, а также введение дополнительного порога для выявления очагов с открытым пламенем и компенсации для получения чувствительности на уровне ионизационного извещателя, а кроме того, введение компенсации запыления по каждому каналу.
Литература
Опубликовано: Журнал "Системы безопасности" #3, 2008
Посещений: 14360
Автор
| |||
В рубрику "Охранная и охранно-пожарная сигнализация, периметральные системы" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
