Рубрикатор

Двухдиапазонные дымовые пожарные извещатели

Опубликовано пользователем Людмила Селецкая,
Avtoritet.net

В рамках курса статей "Основы построения пожарной сигнализации. Обзор статей. Проблемы ложных срабатываний, принципы работы и применения пожарных извещателей".

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].

относительной уровень чувствительности детекторов, использующих три названных выше способа дымоопределения, в зависимости от диаметра частиц, при условии постоянства их суммарной массы

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".

номограммы для тестовых очагов TF1 - TF6, характеризующие соотношение в составе дымов невидимых частиц малого размера, видимых частиц крупного размера и степень выделения теплаОпределено 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).

При появлении дыма сигнал фотодиода резко увеличивается за счет рассеяния излучения свето-диода на частицах дыма 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.

уровни отражения от синего и инфракрасного светодо-дов и их отношение при очагах TF1 - горение древесины и TF2 - тление древесины уровни отражения от синего и инфракрасного светодо-дов и их отношение при очагах TF1 - горение древесины и TF2 - тление древесины

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.

соотношение уровня рассеяния излучения синего и инфракрасного светодиодов, полученное в оптической камере при использовании частиц полистирола различного размераНа 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

  1. Матвеев А.Н. Оптика. - М.: Высшая школа, 1985. - 351 с, илл.
  2. Richard W. Bukowski. Smoke Measurements In Largeand Small Scale Fire Testing, NBSIR78-1 502.
  3. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров. Пер. с англ. К.Г. Бомштейна. Под ред. Ю.А.
  4. Кошмарова, В.Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. -424 с, илл.
  5. Стив Скорфилд. Мировые тенденции развития рынка пожарных извещателей. Журнал "Системы безопасности ", 2004, № 1, Изд-во "Гротек".
  6. Dual Optical Detectors. Fire Safety Engineering. May 2005.

Опубликовано в журнале "Системы безопасности" #3, 2008

  • В отличие от точечных и линейных аспирационные дымовые извещатели не имеют нормативного ограничения на максимальный уровень чувствительности, а их принцип действия и конструктивные особенности позволяют эффективно защитить самые сложные объекты. Например, зоны с высокими скоростями воздушных потоков, запотолочные и подпольные пространства с экстремально высокими или низкими температурами, пыльные и взрывоопасные зоны, помещения с ограниченным доступом, помещения с высокими потолками, куполообразной формы, с балками и т. д. Возможна скрытая установка труб в запотолочном пространстве, в строительных конструкциях или в декоративных элементах помещения с прозрачными капиллярными трубками для образования выносных воздухозаборных точек.

  • Автор продолжает разговор о новом принципе работы точечного пожарного дымового оптико-электронного извещателя, использующего для обнаружения дыма метод поглощения света при очень малом расстоянии между излучателем и приемником сигнала. Этот принцип открывает возможности сверхраннего обнаружения возгорания. В процессе работы были обнаружены дополнительные и очень интересные особенности, о которых и идет речь в данной статье.

  • В статье описаны ситуации, когда обнаружение дыма никакими другими способами, кроме применения аспирационных систем, не может быть реализовано. А также на специфических объектах, где другие способы не отвечают самому принципу пожарной безопасности из за невозможности обеспечить не только раннее, но и просто разумное время обнаружения пожара. Некоторые условия эксплуатации создают нерешаемые проблемы для точечных и линейных дымовых пожарных извещателей, но не являются препятствием работы для аспирационных извещателей.

  • Дымовые пожарные извещатели широко используются во всем мире для защиты от пожара. Они обеспечивают раннее обнаружение на этапе тления очага. В отличие от тепловых извещателей дымовые реально защищают жизнь людей, обнаруживая пожароопасную ситуацию до заполнения помещения дымом и ядовитыми газами. Недостаток простейших дымовых извещателей - это ложные тревоги от пыли, пара, аэрозолей и т. д. В настоящее время для защиты от этих воздействий разработаны и используются на практике различные технологии, одна из которых - идентификация дыма по размеру частиц. Этот способ основан на зависимости уровня сигнала от длины волны излучателя и реализуется при работе одновременно в двух диапазонах.

  • Было бы все просто, если бы где-то можно было взять книгу, посвященную ИПДОТ, в которой изложено все, что с ним связано. Прочитали и сразу во всем разобрались. Но такой книги в природе не существует, ее пока никто не написал и вряд ли будет писать. Вместо нее есть только отдельные статьи разных лет, разбросанные по разным журналам.
    В данной статье я попытаюсь обобщить в кратком виде основные проблемы ИПДОТ, поднятые в разное время разными авторами, т.е. свести все, что уже опубликовано, в одно место, а заодно и напомнить об этих материалах.

  • Взрывоопасные зоны присутствуют не только на специализированных производствах, практически на каждом промышленном объекте есть взрывоопасные зоны. Очевидно, уровень защиты взрывоопасных зон должен быть не ниже, чем защита обычных зон. Однако часто взрывоопасные зоны защищаются малоэффективными тепловыми пороговыми извещателями, что обосновывается сложными условиями эксплуатации. Во взрывоопасной среде, задолго до прогнозируемого срабатывания теплового извещателя, от открытого очага произойдет взрыв, да и в отсутствии взрывоопасной среды в зоне класса 2 сигнал «Пожар» будет сформирован при величине очага значительных размеров.

  • Последняя итерация извещателя ИП 212-3СУ – это воплощение 20-летнего опыта конструирования и эксплуатации пожарных извещателей.Новая модель защищена патентами на промышленный образец «Извещатель пожарный» № 83228 от 29 июня 2011 г. и на полезную модель «Оптический датчик дыма» № 122510 от 05 июля 2012 г.

  • Дымовые пожарные извещатели стали привычным дополнением к интерьеру во всех зданиях. Они должны срабатывать при появлении дыма, благодаря чему имеется возможность обеспечить эвакуацию людей в безопасную зону при пожаре. В отличие от тепловых извещателей и извещателей пламени, дымовые извещатели (по зарубежной терминологии – детекторы) срабатывают на этапе тления и в какой-то мере могут предотвратить отравление угарным газом. На нашем рынке представлен большой выбор отечественных дымовых пожарных извещателей по ГОСТ Р 53325–2009 и зарубежных дымовых детекторов по европейскому стандарту EN 54-7. Различия между зарубежными детекторами и большинством отечественных извещателей видны невооруженным глазом, причем не только по качеству пластика и дизайну, но и по конструкции, размерам и, конечно же, цене. Однако основные параметры, которые определяют скорость обнаружения очагов различного типа, практически не учитываются при выборе типа дымового извещателя.

  • Компания «ДЕАН» представляет продукцию предприятия «АРТОН», которая давно известна в России, причем с хорошей стороны. Номенклатура постоянно обновляется и расширяется, в настоящее время доступно более сорока наименований изделий охранно-пожарного назначения производства «Артон». Это извещатели дымовые точечные, автономные, двухточечные (на два объема) и линейные, тепловые максимальные и с дифференциальной характеристикой и ручные извещатели, модули согласования шлейфов и т.д.