рубрикатор:
І.Г. непогано
Технічний директор компанії "Центр-СБ", к.т.н.
Димові оптико-електронні пожежні сповіщувачі широко використовуються для захисту від пожежі. Вони забезпечують раннє виявлення пожежі на етапі тління вогнища і по НПБ110-03 повинні використовуватися для захисту більшості об'єктів
На відміну від теплових сповіщувачів димові реально захищають життя людей, виявляючи пожежонебезпечну ситуацію ще до заповнення основної частини приміщення димом і чадним газом. Добре відомі і недоліки оптичних димових сповіщувачів - це помилкові спрацьовування від пилу, пара, аерозолів і т.д. Для нейтралізації цих впливів використовуються додаткові сенсори (Наприклад, контролюючі концентрацію чадного газу, зміна температури), що значно підвищує вартість сповіщувача. В аспіраційних извещателях з цією метою встановлюються додаткові фільтри з осередком близько 30 мк. Однак існує значно дешевше технічне рішення, яке не тільки захищає димовий сповіщувач від помилкових спрацьовувань, а й, на відміну від мультисенсорних технологій, одночасно усуває інший недолік підвищує його чутливість до "чорних" димам до рівня радіоізотопного сповіщувача. Цей спосіб заснований на залежності рівня розсіяного сигналу від діаметра частинок і від довжини хвилі випромінювача, при використанні в оптопаре двох випромінювачів з різними довжинами хвилі.
Властивості димів різного типу
Дим складається з видимих і невидимих частинок різного розміру, структура диму залежить від виду вогнища і умов навколишнього середовища. Залежно від реалізованого фізичного процесу виявлення, схемотехнических і конструктивних особливостей димові пожежні сповіщувачі мають неоднакову чутливість до димам різних типів. Лінійні оптико-електронні детектори, що використовують технологію загасання світла при проходженні через контрольовану зону, визначають як видимі, так і невидимі частинки. Їх чутливість досить стабільна по відношенню до зміни розмірів часток диму. Радіоізотопні детектори, що визначають наявність диму за допомогою іонізації молекул повітря в димової камері, мають лінійну, назад пропорційну залежність чутливості від розміру часток. Найбільш чутливі такі детектори до присутності дуже дрібних (від 10 нм) невидимих частинок, вони реагують навіть на зміну вологості повітря, через що доводиться вводити додаткову компенсаційну камеру. Пояснюється це тим, що при постійній масі частинок, але зі зменшенням їх розміру, збільшується сумарна поверхня частинок, на якій відбувається рекомбінація іонів, і відповідно на велику величину знижується іонізаційний струм, що протікає через камеру. Оптико-електронні детектори, що використовують технологію розсіяного світла [1], мають максимальну чутливість по димам, розмір часток яких (0,5-1 мк) порівняємо з довжиною хвилі. На рис. 1 показаний відносної рівень чутливості детекторів, що використовують три названих вище способу димоопределенія, в залежності від діаметру частинок, за умови сталості їх сумарної маси [2].
Вважається, що розмір часток диму варіюється в межах від 0,1 мк в діаметрі (частки такого розміру переважають в палаючому полум'я) до частинок, які можуть бути більшими на порядок і більше, що є характеристикою вогнища в безполуменевої стадії горіння [3].
Фактичний розмір часток залежить від сукупності багатьох даних, наприклад: від фізичного складу вогнища, концентрації кисню в повітрі, характеру газообміну і від інших параметрів навколишнього середовища, особливо від вологості. Більш того, розмір часток диму з плином часу змінюється, у міру охолодження газу частинки розміром менше мікрона з'єднуються один з одним, а найбільші частки випадають в осад. Іншими словами, при видаленні диму від вогнища в розподілі розміру часток спостерігається відносне зниження числа частинок мінімального розміру. Частинки пара, побутових аерозолів і пилу мають значно більші розміри. Відомі ефективні технічні рішення, в яких для захисту точкових димових сповіщувачів від пилу і пара використовуються фільтри з осередком близько 30 мк.
При тліючих пожежах за участю углеродосодержащих матеріалів в основному виділяються сірі дими з розміром частинок, порівнянним з 1 мкм, при горінні пластмас і горючих рідин утворюються аерозолі з меншими розмірами частинок. Тестові вогнища, що дають спектр димів, досить широко визначені в європейських стандартах ЕМ 54-7, EN 54-1 2, EN 54-20 і т.д. використовуються для сертифікаційних випробувань димових детекторів. Ці тестові осередки також наведені в ГОСТ Р50898-96 "Сповіщувачі димові. Вогневі випробування".
Фізична модель оптичного сповіщувача
У димових оптико-електронних извещателях використовується оптопара - світлодіод і фотодіод, розташовані в димової камері таким чином, що при відсутності диму на фотодіод потрапляє мінімальний рівень сигналу. При появі диму сигнал фотодіода різко збільшується за рахунок розсіювання випромінювання світло-діода на частинках диму (рис. 3).
Теорію розсіювання при великих розмірах частинок розвинув німецький фізик Густав Мі в 1908 р Цей вид розсіювання, названий на його імені "розсіюванням Мі", істотно відрізняється від релєєвського розсіювання. Зі збільшенням відносного розміру часток з'являється асиметрія розсіювання, збільшується розсіювання, спрямоване вперед.
При подальшому збільшенні відносних розмірів частинок відбувається суттєва зміна діаграми. Вона ще більше витягується вперед і стає порізаною по інших напрямках, з'являються бічні максимуми. У димових оптичних извещателях традиційно використовуються світлодіоди інфрачервоного діапазону з довжиною хвилі близько 950 нм, з розташуванням оптичних осей під кутом близько 120 °. Відповідно изрезанность діаграми в цьому випадку буде відсутній при наявності диму з частинками розміром близько 0,5 мк.
При великих розмірах частинок диму діаграма розсіювання стає більш вузькою, і рівень сигналу в напрямку фотодіода знижується.
Синій світлодіод в димовому сповіщувачі
На рис. 7 наведено співвідношення рівня розсіювання випромінювання синього і інфрачервоного світлодіодів, отримане в оптичній камері при використанні частинок полістиролу різного розміру. Інтенсивність розсіювання синього світла дрібними частками розміром менше 0,2 мк в 15 разів вище інтенсивності розсіювання інфрачервоного світла. Зі збільшенням розміру часток це відношення зменшується і при розмірі частинок близько 1 мк стабілізується на мінімальному рівні [5].
Використовуючи цей ефект, одна з японських корпорацій запропонувала простий спосіб захисту димового сповіщувача від впливу пари і пилу. Був розроблений так званий двохдіапазонний оптичний пожежний сповіщувач: в димової камері додатково встановили синій світлодіод під тим же кутом щодо фотодіода, що і інфрачервоний світлодіод (рис. 3). Проводилося вимірювання сигналу фотодіода при випромінюванні синього світлодіода і при випромінюванні інфрачервоного світлодіода Далі проводилася обробка результатів вимірювань.
Результати експериментальних досліджень
Були проведені випробування дводіапазонного оптичного сповіщувача на тестові осередки TF1, TF2, TF3, TF4, TF5 і на вплив пилу і пара [5]. На рис. 5, 6 для прикладу наведено рівні відображення від синього і інфрачервоного светодо-дів і їх відношення при осередках TF1 - горіння деревини і TF2 - тління деревини. Ставлення сигналів на виході фотодіода при включенні синього і інфрачервоного світлодіодів в процесі випробувань практично не змінювалося і знаходилося в першому випадку в районі 5, у другому - в районі 2.
Необхідно також відзначити, що виявлення диму при відкритому горінні дерева в синьому діапазоні відбувається значно раніше, ніж в інфрачервоному, що показує істотно більшу ефективність оптичних сповіщув-лей синього діапазону для виявлення вогнищ відкритого полум'я, в порівнянні з традиційними інфрачервоними сповіщувачами.
Дані результати показують можливість ідентифікації виду діяльності з дводіапазонного оптичному сповіщувачі. Поріг для поділу димів та інших впливів, не пов'язаних з пожежею, був встановлений на рівні 1,4. Якщо відношення сигналів перевищує 1,4, сповіщувач формує сигнал "Пожежа", якщо не перевищує 1,4 - сигнал "Пожежа" не формується.
Подальшим розвитком алгоритму обробки результатів вимірювань в дводіапазонного оптичному сповіщувачі стало використання каналу синього діапазону для вирівнювання показників чутливості сповіщувачів, які вони демонструють під час тестування з застосуванням вогнищ з відкритим полум'ям і тліючих вогнищ, а також введення додаткового порога для виявлення вогнищ з відкритим полум'ям і компенсації для отримання чутливості на рівні іонізаційного сповіщувача, а крім того, введення компенсації запилення по кожному кан лу.