CZ280824B6 - Detektor požáru - Google Patents

Abstract

Detektor požáru je citlivý na výskyt oxidu uhličitého a obsahuje detekční jednotku (26) umístěnou na jednom konci kanálu (20) vytvořeného ve vzorkovací komoře (44) pro vzorky vzduchu a spojené otvory (30) s okolním ovzduším. Proti detekční jednotce (26) je na druhém konci kanálu (20), který má například tvar U, umístěn zdroj (12) záření, které je pohlcováno oxidem uhličitým při jeho zvýšené koncentraci. Vzorkovací komora (44) je opatřena membránou, která je propustná pro oxid uhličitý, ale nepropustná pro kouř nebo prach a kterou jsou překryty otvory (30) ve stěnách vzorkovací komory (44) nebo otvory (48) ve stěnách pouzdra (46). Detekční jednotka (26) je spojena s elektronickým obvodem (66)se zdrojem signálu o úrovni koncentrace oxidu uhličitého nebo o rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého, spojeným s poplachovým signálním obvodem (76). ŕ

Description

Detektor požáru

Oblast techniky

Vynález se týká detektoru požáru, citlivého na zvýšený výskyt oxidu uhličitého v okolním vzduchu a obsahujícího detekční jednotku, generující signál, odpovídající záření, dopadajícímu na detekční jednotku. Detektor má podobu kompaktního přístroje, který neobsahuje žádné pohyblivé součásti a který reaguje na zvýšenou koncentraci oxidu uhličitého nebo na zvýšenou rychlost změny koncentrace oxidu uhličitého v okolí detektoru.

Řešení podle vynálezu souvisí s dalšími obdobnými nebo doplňkovými vynálezy, které byly přihlášeny současné jako přihlášky vynálezů. První z našich dalších vynálezů má název Rychlý detektor požáru a využívá snímací techniky pro snímání dvou vlnových délek záření, zatímco řešení podle tohoto vynálezu využívá snímání paprsků s jedinou vlnovou délkou.

Další náš současné přihlášený vynález má název Vzorkovací komora pro plynné vzorky a týká se konstrukčního řešeni vzorkovací komory, která je využita u detektoru požáru podle tohoto vynálezu. Proto patentové nároky neobsahují znaky vzorkovací komory, obsažené v tomto dalším vynálezu.

Dosavadní stav techniky

Detektory požáru, které jsou v současné době dostupné na trhu, je možno rozdělit do tří základních skupin, z nichž v první skupině jsou detektory, zaměřené na zjišťováni výskytu plamenů, ve druhé skupině jsou detektory, snímající teplotu okolí a třetí typ detektorů zjišťuje výskyt kouře. Tato klasifikace vychází ze tří základních typů energií a látek, které se nutně vyskytují v okolí požáru, totiž z výskytu plamenů, zvýšení teploty a zamoření kouřem.

Detektory, zaznamenávající výskyt plamenů v kontrolovaném prostoru, zjišťují optickou vyzařovací energii, vznikající při difuzním spalování, při kterém dochází k hoření plamenem, přičemž detekce je zejména založena na měření intenzity osvětlení a na frekvenci změn intenzity osvětlení, ke kterým dochází u plamenů ohně. Obecné jsou používány dva základní typy detektorů plamenů: detektory ultrafialového záření, které pracují s vlnovými délkami mimo oblast viditelného světla, zejména menšími než 4000 A, a detektory infračerveného záření, které pracují se zářením s vlnovými délkami nad 7000 A. Aby se nezachycovaly falešné signály z mnoha jiných zdrojů infračerveného nebo ultrafialového záření, které se vyskytují v mnoha nebezpečných oblastech, jsou detektory naprogramovány tak, že reagují jen na záření, jehož frekvenční modulace se pohybuje v rozsahu kmitočtů blikání plamenů, to znamená od 5 do 30 Hz.

Detektory plamenů pracují zpravidla spolehlivě a zřídka vyvolávají planý poplach, avšak jsou poměrně složité a proto nákladné, takže je nelze používat v masovém měřítku a v případech, kdy je nutno udržet nízkou úroveň investičních nákladů. Tyto detektory jsou proto používány jen ve specializovaných ochranných

-1CZ 280824 B6 soustavách pro ochranu drahých nebo unikátních objektů, například leteckých nebo astronautických cvičných kabin, hangárů pro letadla nebo velínů a kontrolních stanovišť jaderných reaktorů a podobně .

Tepelné detektory pracují s výstupní tepelnou energií, s teplem, vyzařovaným ohněm. Toto teplo je rozptylováno do prostoru ve formě laminárního nebo turbulentního konvekčního tepelného proudu. Turbulentní konvekční proud horkých plynů je vyvoláván a regulován hořením, při kterém vzniká nad hořícím předmětem sloupec stoupajícího horkého vzduchu a dalších plynů. V praxi se vyskytují dva základní typy tepelných detektorů: detektory s pevně nastavenou teplotou a detektory a omezenou rychlostí nárůstu teploty. Detektory s pevné nastavenou mezní teplotou se dále dělí na bodové detektory a na liniové detektory. Bodové detektory jsou opatřeny poměrně malou jednotkou, obsahující prvek, reagující na teplo, který je uložen uvnitř detektoru nebo na jeho povrchu. U liniových detektorů je prvek reagující na teplo vytvořen ve formě podlouhlého útvaru, například drátu nebo trubky, citlivé na teplo. Liniové detektory jsou schopny pokrýt větší plochu ohrožené oblasti než bodové detektory.

Detektory požáru, nastavené na mezní hodnotu nárůstu teploty okolí detektoru, mají značnou spolehlivost, stabilitu a snadno se udržují, mají však malou citlivost. V moderních budovách se značným prouděním vzduchu ve větracích a klimatizačních soustavách je umístění těchto detektorů, reagujících na rychlost změny teploty, velmi problematické. V důsledku toho nejsou tyto typy detektorů v širším měřítku využívány a jejich aplikace se omezují jen na velmi specializované případy, kdy je použití jiných typů detektorů nevýhodné.

Tepelné detektory požáru, sledující rychlost růstu teploty, se instaluji zpravidla tam, kde se předpokládá poměrně rychlé rozšíření požáru z jeho ložiska. Detektor požáru se uvádí do činnosti, jakmile sloupec spalin z ohniska požáru způsobí zvýšení teploty uvnitř komory detektoru nad nastavenou prahovou hodnotu například rychlostí vyšší než o 8 °C za minutu. Rozšiřuje-li se však oheň velmi pomalu a nárůst rychlosti zvyšování teploty nepřekročí nastavenou prahovou hodnotu detektoru, není detektor schopen reagovat na vznik požáru.

Nejnovější typy detektorů požáru jsou označovány za rychlostně kompenzované detektory, které jsou schopny reagovat jak na rychlost růstu teploty, tak i na nastavenou teplotní úroveň, která představuje tepelnou zatížitelnost detektoru. U těchto detektorů, sledujících dvě hodnoty, je však největším problémem správné umístění detektorů v rizikové oblasti a v jejím bezprostředním okolí. Proto ani tyto detektory požáru zatím nenašly širší uplatnění, zejména v domácnostech.

Zdaleka nejpoužívanějšími typy protipožárních detektorů jsou v běžné praxi kouřové detektory, které reagují na viditelné nebo i neviditelné zplodiny hoření. Viditelné zplodiny hoření obsahují především nespálené uhlíkové částice a také částice s vysokým obsahem uhlíku, neviditelné zplodiny hoření sestávají z pevných částic s velikostí menší než asi 5 mikronů a z různých plynů a iontů. Všechny typy kouřových detektorů je možno rozdělit na

-2CZ 280824 B6 dva základní typy: fotoelektrické typy, které reagují na přítomnost viditelných zplodin hoření, a ionizační typy, které reagují jak na viditelné, tak i na neviditelné zplodiny hoření.

Fotoelektrické typy detektorů je dále možno rozdělit na detektory, pracující s vysílaným paprskem, a na detektory, pracující s odraženým paprskem. Kouřové detektory s vysílaným paprskem v podstatě sestávají ze skupiny vzorkovacích trubek s vnitřními prostory pro sledované vzorky vzduchu, které mohou být rozmístěny v nákladových nebo jiných prostorech například lodi tak, že jejich osy se protínají ve společném fotoelektrickém detektoru. Vzorky vzduchu jsou nasávány do vzorkovacích trubek z chráněného prostoru pomocí ventilátoru. Fotoelektrický detektor je zpravidla uzavřen v kovové trubce, obsahující na jednom konci zdroj světla nebo jiného záření a na druhém konci fotoelektrický článek. Citlivost a účinnost těchto detektorů je závislá mimo jiné na délce světelného paprsku. Nasaje-li se do trubice detektoru viditelný kouř, sníží se intenzita světelného paprsku, dopadajícího na fotoelektrický článek, protože část světla byla pohlcena kouřovými částicemi. Snížená intenzita světla indukuje v elektrickém obvodu, napojeném na fotoelektrický článek, nevyvážený stav, který vyvolá poplach. Kouřové detektory s vysílaným paprskem, procházejícím kouřovou komorou, jsou nerozšířenějšími typy detektorů požáru. Při použití na plavidlech jsou nejčastěji používány na ochranu skladovacích prostorů a všech důležitějších části lodi, přičemž jsou schopny zjistit výskyt kouře v celém prostoru plavidla i v jeho vzduchotechnických potrubích.

Kouřové detektory, pracující s odraženým světelným paprskem, mají výhodu ve velmi krátké dráze světelného paprsku, což je činí použitelnými i pro bodové nebo kompaktní typy kouřových detektorů. Kouřové detektory s promítaným světelným paprskem, které byly popisovány v předchozích odstavcích, se stávají citlivějšími, jestliže se délka světelného paprsku prodlužuje, přičemž v mnoha případech je třeba, aby světelný paprsek měl délku 1,5 m až 3,0 m. Kouřový detektor, pracující s odraženým paprskem a fotoelektrickým snímáním tohoto odraženého paprsku, je schopen pracovat při délce světelného paprsku pouze 5 nebo 7,5 cm. Kouřový detektor, pracující s odraženým paprskem světla, sestává ze zdroje světelného paprsku, z fotoelektrického článku, uloženého v pravém úhlu ke zdroji světla, a ze zachycovacího ústroji pro zachycování světelných paprsků, umístěného proti zdroji světla.

Ionizační typy kouřových detektorů zaznamenávají výskyt jak viditelných, tak i neviditelných částic, vznikajících při difuzním spalování plamenem. Jak již bylo řečeno, viditelné částice zplodin hoření mají velikost od 4 do 5 mikronu, i když viditelnými mohou být i menši částice, vyskytují-li se ve větším množství na jednotku objemu vzduchu, kdy se projevují jako mlžný opar. V praxi se vyskytují rovněž dva základní typy ionizačních detektorů kouře. První typ obsahuje bipolární ionizované vzorky v komoře, která je tvořena oblastí mezi dvěma elektrodami. Zdroj radioaktivních částic alfa je umístěn v této oblasti, přičemž kyslíkové a dusíkové molekuly vzduchu jsou ionizovány částicemi alfa z radioaktivního zdroje. Ionizované dvojice se při zapojení elektrického napětí pohybují směrem k elektrodám s opačným znaménkem a zjišťuje se minutový elektrický proudový tok napříč komorou. Vstupují-li do komory pro přívod vzorků vzduchu zplodiny spalová

-3CZ 280824 B6 ní, slučují se s ionty. Protože částice zplodin hoření mají větší hmotu, sníží se pohyblivost iontů, což vede k omezení elektrického proudového toku napříč vzorkovací komorou. Toto snížení elektrického proudového toku vyvolá reakci detektoru a příslušný poplachový signál.

Druhým typem ionizačních kouřových detektorů jsou unipolární detektory a ionizační komorou pro vzorky vzduchu, které mohou v některých případech nahrazovat bipolární detektory. Jediný rozdíl mezi oběma těmito základními typy ionizačních kouřových detektorů spočívá v umístění oblasti uvnitř vzorkovací komory, vystavené působení částic alfa. U bipolárních detektorů je celý vnitřní prostor vzorkovací komory místem, ve kterém se vyskytují jak pozitivní, tak i negativní ionty, proto se také nazývají bipolárními detektory. U detektorů unipolárního typu se částice alfa ze zdroje vyskytují jen v bezprostředním okolí kladné elektrody, anody. To vede k výskytu pouze jednoho převažujícího typu iontů, záporných iontů, v elektrickém proudovém toku mezi elektrodami, proto se tomuto typu říká unipolární.

Ačkoliv unipolární a bipolární komory se vzorky vzduchu využívají jiných principů konstrukce a funkce detektoru, oba tyto typy detektorů jsou založeny na redukci elektrického proudového toku zplodinami hoření, které uvádějí detektor do činnosti. Obecně se dává přednost unipolární konstrukci detektorů, protože tyto detektory kouře mají větší citlivost a stabilitu, menší kolísání proudového toku, které bývá příčinou planých poplachů, vyvolávaných změnami vlhkosti, teploty a tlaku vzduchu. Nejčastěji prodávanými kouřovými detektory jsou v současné době unipolární typy detektorů.

V posledních dvou desetiletích na trhu detektorů výrazně převažovaly ionizační kouřové detektory. Jedním z důvodů tohoto jevu je skutečnost, že další dvě třídy detektorů požáru, totiž detektory, zjišťující výskyt plamenů a teplotní detektory, jsou podstatné složitější a nákladnější než ionizační detektory kouře. Tyto ionizační detektory zjišťování výskytu kouře se proto používají v masovém měřítku, zatímco uvedené dva typy detektorů se používají pro ochranu pouze specializovaných a velmi hodnotných nebo unikátních prostorů, předmětů a objektů. V posledních letech se pro svou poměrně vysokou cenu téměř ztratily z trhu fotoelektrické kouřové detektory a přenechaly své místo ionizačním detektorům. Ionizační typy detektorů jsou obecně méně nákladné a mohou pracovat po celý rok s pouze jednou devítivoltovou baterií. V současné době je 90 procent domácností a budov, zajištěných detektory požáru, vybaveno ionizačními typy kouřových detektorů.

I přes svoji nízkou cenu, v podstatě bezporuchový provoz a široké kladné přijetí u veřejnosti však.ani tyto ionizační detektory nejsou ještě zcela ideální a nejsou u nich vyřešeny všechny problémy. Dosud známá provedení ionizačních kouřových detektorů mají ještě řadu nevýhod, projevujících se při jejich použití ve funkci detektorů požáru. Otevřeně řečeno, většina uživatelů si na ně nestěžuje prostě z toho důvodu, že lepší alternativa se dosud nenašla.

Jedním z největších problémů ionizačních kouřových detektorů je velmi časté vyvolávání planých poplachů. Z povahy jejich čin

-4CZ 280824 B6 nosti vyplývá, že také jiný částicový materiál s velikostí částic, pohybující se v mikronovém řádu, je schopen vyvolat poplach, protože detektor reaguje nejen na kouř, produkovaný skutečným ohněm. Typickým příkladem takových jiných částic jsou tukové částice, spálené na horkém kuchyňském sporáku nebo v pečící troubě. Dalším příkladem je rozvíření prachu při jeho nešetrném stírání z předmětu nebo z nábytku v bezprostřední blízkosti detektoru. Časté falešné poplachy nemají zanedbatelné důsledky, protože mnozí lidé totiž po sérii takových planých poplachů vyřazují detektory z činnosti například vyjmutím baterie, aby se vyhnuli těmto nepříjemným a zbytečným vyrušením. Za této situace však může vzniknout ohrožení požárem, protože velmi často není baterie včas vrácena na své místo, aby byl detektor opět uveden do pohotovostního stavu.

Další výraznou nevýhodou dosud známých ionizačních kouřových detektorů je jejich poměrně malá reakční rychlost, což je nepříznivé pro včasné upozornění okolí na výskyt požáru. Tato nevýhoda je způsobena několika okolnostmi. První z nich je spouštěcí prahová hodnota kouřového detektoru, která přímo ovlivňuje délku časového intervalu mezi vznikem ohně a spuštěním poplachového signálu. Není pochyb o tom, že nižší spouštěcí prahová hodnota by znamenala zkrácení reakční doby a vytvoření rychlejšího detektoru, avšak na druhé straně by to přineslo častější spouštění falešných poplachových signálů. Druhým faktorem je konkrétní umístění detektoru s ohledem na místo vzniku požáru. Na rozdíl od běžných plynů je kouř tvořen množstvím sazových molekulových shluků, které sestávají převážně z uhlíku. Tyto shluky jsou těžší než vzduch a proto se rozptylují mnohem pomaleji než plyny, se kterými se běžně setkáváme. Nachází-li se detektor v určité vzdálenosti od ohniska požáru, bude trvat určitou dobu, než se dostatečné množství kouře dostane do komory pro vzorky vzduchu v detektoru, aby bylo schopno spustit poplachový signál. Třetím faktorem je povaha nebo druh ohně při vznikajícím požáru. I když je hoření prakticky vždy doprovázeno vývinem kouře, množství produkovaného kouře může být výrazně odlišné v závislosti na složení materiálu, který byl zachvácen ohněm. Například okysličená paliva, jako je etylalkohol nebo aceton, produkují podstatně méně kouře než uhlovodíkové polymery, například polyetylén nebo polystyrén. Kromě toho malý počet čistých paliv a hořlavých látek, například oxid uhelnatý, formaldehyd, metaldehyd, kyselina mravenčí a metylalkohol, hoří nesvítivým plamenem, který prakticky neprodukuje žádný kouř.

Jiná nevýhoda dosud známých ionizačních detektorů kouře souvisí se zamořováním okolního prostředí. Ionizační typy kouřových detektorů totiž používají radioaktivních látek, například Co⁶⁰, jako zdroje částic alfa. I když je možno argumentovat tím, že množství radioaktivního materiálu, vyskytující se v každém kouřovém detektoru, je velmi malé a činí dokonce jen několik setin miligramu, počet detektorových jednotek, uváděných každým rokem do provozu, by však snadno mohl dosáhnout desítek milionů. Z toho důvodu by mohlo vést pokračující používání ionizačních detektorů a také uvádění dalších detektorů do provozu po uplynutí jejich životnosti nebo životnosti budovy k vytvoření značného množství nežádoucího jaderného odpadu. Protože poločas rozpadu kobaltu CO⁶⁰ je delší než 1 000 let, není možno toto potenciální nebezpečí pominout.

-5CZ 280824 B6

Konečné se také vyskytuje řada menších problémů, spojených s používáním těchto levných ionizačních kouřových detektorů, z nichž je možno uvést obtíže a náklady, spojené s nutnosti každoroční výměny baterie, popřípadě vyplývající ze ztráty funkčnosti po vybití baterie, jestliže není detektor vybaven signalizací vybití napájecího zdroje. Dosud prodávané ionizační kouřové detektory jsou jen zřídka vybaveny vizuálním poplachovým zařízením, které je nezbytné pro sluchově postižené osoby.

Z tohoto rozboru vyplývá, že sortiment dosud prodávaných a známých detektorů požáru by bylo velmi žádoucí rozšířit o rychlý, velmi spolehlivý a levný detektor, který by neobsahoval radioaktivní zdroje záření a nevyžadoval žádnou údržbu.

V US-PS 4 738 266 je popsán přístroj pro zaznamenávání změny koncentrace oxidu uhelnatého v okolním vzduchu. Zařízení podle tohoto patentového spisu používá nemodulovaného širokopásmového zdroje infračerveného záření, pracujícího za stálé teploty, a jednopásmového filtru pro jeho propouštěné pásmo. Zařízeni podle tohoto spisu není na rozdíl od detektoru podle vynálezu opatřeno Thatcherovým ústrojím pro omezování vzniku falešných poplachů, vyvolávaných postupným usazováním částic prachu na povrchu optického systému, nebo postupným stárnutím některých částí zařízení. Jednoznačně je třeba říci, že tyto faktory jsou u detektorů požáru významné a úkolem vynálezu je kromě jiného odstranit nepříznivé vlivy těchto faktorů, přičemž dosud získané výsledky ukazují na význam rozdílu mezi řešením podle tohoto vynálezu a podle dosud známého řešení.

US-PS 4 648 396 popisuje přístroj pro sledování rozdílů obsahu oxidu uhličitého ve vdechovaném a vydechovaném vzduchu. Přístroj má podobné konstrukční řešení jako předchozí známé zařízení s tím rozdílem, že využívá zpětnovazební smyčky pro udržování konstantní úrovně množství paprsků, dopadajících na detektor bez ohledu na zaclonění okénka a pro vyrovnávání odchylek, způsobených změnami teploty. Součet snímaných signálů se zpracovává a kontroluje, aby se vyloučil šum jako zdroj chybných informací o naměřených hodnotách oxidu uhličitého.

Je známa ještě řada jiných detektorů požáru, které mají s detektorem podle vynálezu společný nejméně jeden konstrukční znak, avšak všechna tato známá řešeni obsahují pohyblivé součásti nebo jiné prvky, které se považují za nevhodné pro využití u detektorů požáru. Tyto další známé detektory jsou popsány například v US-PS 4 785 184, US-PS 4 874 572, US-PS 4 587 427 a některých dalších spisech.

Z těchto důvodů je úkolem vynálezu vyřešit konstrukci levného a spolehlivého detektoru požáru, který by nepoužíval radioaktivních materiálů jako zdroje částic alfa, který se vyskytuje v současných ionizačních detektorech výskytu kouře, a který by neobsahoval pohyblivé součásti.

Dalším úkolem vynálezu je také zavést nový princip včasného zjišťování vzniku požáru, který by pracoval rychleji než dosud známé detektory a který by měl co nejnižší počet planých poplachů při zachování spolehlivosti včasného zaznamenání vzniku požáru za všech podmínek.

-6CZ 280824 B6

Již delší dobu je známo, že proces hoření může probíhat v mnoha různých formách, přičemž při všech formách dochází k reakci mezi hořlavými složkami materiálů a kyslíkem ze vzduchu. Jinými slovy, na začátku hoření je nezbytný vznik oxidačního procesu, protože hoření nemůže probíhat bez spotřeby kyslíku. Nejefektivnější cestou ke zjištění začátku hoření je proto vyhledávání a zjišťování zplodin oxidačního procesu. S výjimkou několika zcela speciálních chemických spalovacích procesů, při kterých dochází ke spalování uhlovodíků, jsou uhlík, kyslík a jiných chemických látek než běžně používaných pro hoření nezbytné tři základní látky, totiž vodík, přičemž hořením vznikají tři základní složky zplodin hoření, totiž oxid uhelnatý, oxid uhličitý a vodní pára, které nutné provázejí spalovací chemickou reakci při hoření hořlavých látek.

Z těchto tří plynů, vznikajících v průběhu hoření a unikajících do okolí ohně, se nejsnáze zjišťuje oxid uhličitý, takže tento plyn je tedy nej lepším kandidátem na využití pro sledování jeho výskytu u detektorů požáru. Vodní pára se jako plyn velmi obtížně měří, protože má snahu kondenzovat na všech dostupných plochách, takže její koncentrace se může velmi výrazně měnit v závislosti na podmínkách v okolí detektoru, zejména teplotách jednotlivých předmětů. Oxid uhelnatý je produkován v ohni s dokonalým spalováním v podstatně menším množství než oxid uhličitý, zejména na počátku hoření. Ovšem i při teplotách hořícího materiálu nad 600 °C se vyvíjí více oxidu uhličitého a uhlíku než oxidu uhelnatého, jak ukazují četné studie o složení spalin, publikované zejména v poslední době. Oxid uhličitý má kromě toho, že je produkován již od počátku hoření ve značném množství, další výhodu ve své značné stabilitě. Koncentrace tohoto plynu může být velmi snadno měřena tak zvanou nedisperzní infračervenou technikou (NDIR), která jev současné době vyvinuta do značné dokonalosti. Průměrná koncentrace oxidu uhličitého C0₂ v ovzduší, pohybující se kolem 0,02%, není na závadu zjišťování zvýšeného množství oxidu uhličitého, produkovaného hořením, jestliže je čidlo pro zjišťování výskytu oxidu uhličitého nastaveno na takovou prahovou hodnotu nebo citlivost, nebo je-li konstruováno tak, aby bylo schopno zaregistrovat i malé změny v množství tohoto plynu ve vzduchu.

Jinou významnou výhodou detektorů výskytu oxidu uhličitého oproti kouřovým detektorům požáru v chráněném prostoru je snadná přemistitelnost těchto přístrojů podle potřeby. Vývin kouře je přímým důsledkem nedokonalého spalování, vedoucího ke vzniku hořlavých dehtových složek, ze kterých se hořením vyvíjejí sazové molekulové shluky, které obsahují převážně uhlík. Vyvíjený kouř je v důsledku toho těžší než oxid uhličitý a jeho difúze ve vzduchu je proto pomalejší. Z toho důvodu, je-li kouřový detektor požáru umístěn ve stejné vzdálenosti jako detektor výskytu oxidu uhličitého, vyšle detektor oxidu uhličitého podstatně dříve poplašný signál než kouřový detektor, protože plyn ve formě oxidu uhličitého je mnohem pohyblivější.

Z toho vyplývá, že detektor požáru, založený na zjišťování zvýšeného výskytu oxidu uhličitého ve vzduchu, by měl mít podstatné provozní výhody oproti kouřovým detektorům požáru; dosud se však mělo za to, že není možné vytvořit konstrukci detektoru

-7CZ 280824 B6 výskytu oxidu uhličitého, která by byla srovnatelná s kouřovými detektory požáru z hlediska nákladů, citlivosti a spolehlivosti. Z dalšího popisu však bude zřejmé, že detektor požáru, zjišťující výskyt oxidu uhličitého ve vzduchu a vytvořený podle tohoto vynálezu, je srovnatelný s těmito nejdokonalejšími dosud známými detektory požáru jak co do ceny, citlivosti i spolehlivosti, přičemž má oproti ním značnou výhodu ve včasnější signalizaci nebezpečí a ve větší odolnosti proti vzniku falešných poplachů.

Podstata vynálezu

Nedostatky dosud známých detektorů jsou odstraněny u detektoru požáru podle vynálezu, obsahujícího detekční jednotku pro zjišťování zvýšeného výskytu oxidu uhličitého, jehož podstata spočívá v tom, že detekční jednotka je umístěna na jenom konci kanálu ve vzorkovací komoře, obsahující vzorek vzduchu a propojené s okolním ovzduším, a na druhém konci kanálu ve vzorkovací komoře je umístěn zdroj záření o vlnové délce zejména 4,26 mikronů, přičemž vzorkovací komora obsahuje membránu, propustnou pro oxid uhličitý a nepropustnou pro kouř, prach, olej a vodu, která je umístěna mezi kanálem a okolním vzduchem, a detekční jednotka je spojena s elektronickým úsekem, obsahujícím elektronický obvod se zdrojem nejméně jednoho signálu, vybraného ze skupiny, zahrnující signál koncentrace oxidu uhličitého a signál rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého.

Ve výhodném provedení vynálezu obsahuje elektronický obvod zdroj časových impulsů, spojený se zdrojem záření, a detekční jednotka obsahuje zdroj elektrických signálů, odpovídajících intenzitě dopadajícího záření, který je spojen s prvním dílčím vyhodnocovacím obvodem změn amplitudy v elektronickém obvodu, obsahujícím druhý dílčí vyhodnocovací obvod jako zdroj signálu, vybraného ze skupiny signálů, zahrnujících signál koncentrace oxidu uhličitého, signál rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého a signál koncentrace oxidu uhličitého i rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého.

Kanál ve vzorkovací komoře má v dalším výhodném provedení vynálezu tvar U a jeho vnitřní prostor je spojen s okolním prostředím otvory ve stěnách vzorkovací komory, přičemž vzorkovací komora a elektronický úsek jsou uloženy v pouzdru, opatřeném nejméně jedním otvorem, který je popřípadě překryt membránou.

V dalším výhodném provedení vynálezu jsou propustnou membránou překryty průchozí otvory vzorkovací komory a propustná membrána je umístěna na povrchu nejméně jedné stěny vzorkovací komory.

Membránou je podle výhodného provedení vynálezu pryžová membrána ze silikované pryže, kterou je pokryta základní nosná vrstva zejména z propustné textilie. Vzorkovací komora sestává výhodně ze dvou polovin, obsahujících žlábky, které tvoří poloviny kanálu pro vedení paprsků světla nebo jiného záření.

Detektor požáru podle vynálezu generuje elektrický signál, který je úměrný intenzitě záření, které odpadá na snímací jednotku detektoru. Tento signál je menší, jestliže koncentrace oxidu uhličitého ve vzorkovací komoře se v důsledku vzniku ohně uvnitř

-8CZ 280824 B6 vzorkovací komory zvýšila. Elektronický obvod zachycuje tento signál a zpracovává jej na výstupní signál, který podává informaci o okamžité koncentraci oxidu uhličitého ve vzorkovací komoře, popřípadě o rychlosti změny této koncentrace. Získané signály se porovnávají s předem nastavenými prahovými hodnotami a v případě potřeby je podle naprogramovaných pravidel generován detektorem nebo připojeným přístrojem poplašný signál.

U tak zvaného rychlého detektoru požáru, který je předmětem současně přihlašovaného řešení, je vzorkovací komora propojena přímo s okolním ovzduším. U tohoto řešení se považovalo za nezbytné umožnit rychlou difúzi oxidu uhličitého do vzorkovací komory. To ovšem na druhé straně umožňuje také vnikání částic kouře, prachu, vody, oleje nebo tuku do vnitřního prostoru komory, kde se tyto částice mohou usazovat na optických členech a tím mohou zkreslovat intenzitu signálu, generovaného detekční jednotkou. Pokud nejsou učiněna opatření, která by zamezovala vnikání těchto jiných částic do vzorkovací komory, mohl by detekční systém ohlašovat pokles intenzity záření, způsobovaný absorpcí záření na jiných částicích, který by mohl iniciovat vyvolání planého poplachu.

Rychlý detektor požáru používá pro odstranění této možnosti dvojí vlnové délky, kdy se kromě základního absorpčního pásma 4,26 mikronu používá také záření s jinou vlnovou délkou, například 2,20 mikronu, které není pohlcováno žádným z plynů, přítomných v komoře pro rozbor vzduchu. Každý pokles signálu v tomto druhém referenčním kanálu nemusí být přisouzen poklesu absorpce v plynu, ale pokládá se za faktor společný oběma kanálům a vyplývající například z usazení prachu na optických členech přístroje. Tato úvaha se prakticky zužitkuje výpočtem poměru signálu v kanálu se zářením o vlnové délce 4,26 mikronů k signálu v kanálu, vedoucím paprsek o vlnové délce 2,20 mikronů. Tato úvaha je jisté správná, ale příliš konzervativní a její základní nevýhoda spočívá ve zvýšení nákladů o cenu dvoupásmového filtru a mikroprocesoru, používaného pro zpracování signálů.

Řešení podle vynálezu umožňuje nahrazení tohoto dvoupásmového filtru a popřípadě také použití jednoduššího zapojení pro zpracování signálů. Řešení podle vynálezu předpokládá vložení částicového filtru do dráhy plynu mezi okolní atmosférou a vnitřním prostorem komory, na kterém jsou zachycovány všechny pevné částice, aby nemohly vnikat do vzorkovací komory, ve které jsou uloženy optické členy. U řešení podle vynálezu se tedy klade důraz na zachycení částic kouře, prachu, vody, oleje nebo tuku, což se pokládá za výhodnější, než elektronická kompenzace přítomnosti těchto částic ve vzorkovací komoře.

Nežádoucí velikost částic se pohybuje v rozsahu od 5,0 do 0,01 mikronu. Jednoduché sítko by proto nebylo dostatečně jemné pro zachycení těchto nejmenších částic z tohoto rozsahu a vysoce kvalitní filtr by zase byl příliš drahý. Toto dilema bylo vyřešeno podle vynálezu využitím skutečnosti, že fólie nebo vrstvička, silikonové pryže je dostatečně prostupná pro plyn jako je oxid uhličitý. Tento jev je s úspěchem využíván například v lékařství při náhradách srdečních chlopní; tato aplikace byla poprvé publikována v článku K. Kammermeyera Silikonová pryž jako selektivní přepážka; převod plynů a par v Ind. Engr. Chem., sv. 49, str. 1685 až 1686 (1957).

-9CZ 280824 B6

Využitím tohoto poznatku pro návrh detektoru požáru se otevřela cesta k vyřešení konstrukce velmi levného detektoru požáru, který je schopen vysílat varovný signál dříve než dosud známé kouřové detektory, používané ve velmi širokém rozsahu v budovách.

Membrána ze silikonové pryže zachycuje na své vnější straně závadné částice kouře, prachu, oleje a vody, avšak snadno propouští molekuly oxidu uhličitého. Potřeba referenčního kanálu tak zcela odpadá a nákladný dvoupásmový filtr může být nahrazen méně nákladným jednoduchým filtrem, propouštějícím pouze jedno vlnové pásmo. Elektronická část detektoru se tak podstatně zjednodušuje a tím se dále snižují celkové pořizovací náklady detektoru.

Výsledkem toho je detektor požár podle vynálezu, který je po cenové stránce plně srovnatelný s konvenčními kouřovými detektory, avšak nepoužívá žádný radioaktivní materiál. Poplašné signály přicházejí od detektoru podle vynálezu podstatně dříve a snižuje se počet falešných poplachů, takže detektor poskytuje všechny předpoklady pro záchranu mnoha lidských životů a značných materiálních hodnot.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže objasněn pomocí dvou příkladů provedení detektoru požáru, zobrazených na výkresech, na kterých znázorňují obr. 1 rozložený axonometrický pohled na první příkladné provedení detektoru požáru, částečně zobrazeného v řezu, obr. 2 podélný řez detektorem z obr. 1, vedený rovinou 2-2, obr. 3 rozložený axonometrický pohled na druhé příkladné provedení detektoru požáru, částečně zobrazeného v řezu obr. 4 podélný řez detektorem z obr. 3, vedený rovinou 4-4, a obr. 5 blokové schéma elektronického obvodu, které je společné pro obé příkladné provedení detektoru požáru.

Příklady provedení vynálezu

Detektor požáru podle vynálezu sestává z mechanického hlediska ze tří základních částí, z elektronického úseku 42., z komory 44 pro vzorky vzduchu, která je spojena s elektronickým úsekem 42, a z pouzdra 46., které, jak je patrno zejména z obr. 2 a 4, obklopuje komoru 44 pro vzorky vzduchu a která je připojena k elektronickému úseku 42.

Elektronický úsek 42 obsahuje elektronické obvody, podrobněji zobrazené na obr. 5, které zahrnují vlastní elektronický obvod a poplachový obvod, obsahující prostředky pro vysílání akustického poplachového signálu, viditelného poplachového signálu a v jedné alternativě také baterie pro zásobování tohoto zařízení energií .

Jak je podrobněji popsáno v navazujících vynálezech původce, podaných současně jako přihláška vynálezu o názvu Komora pro vzorky plynu, komora 44 sestává ze dvou shodných polovin 50. 52. Obě tyto poloviny 50., 52 obsahují takové tvarové úpravy, které omezují podélné kanály 20, kterými je vedeno záření, emitované zdrojem 12 záření a vedené k filtru 24 a nakonec také k detekční jednotce 26. Po délce podélného kanálu 20 je vytvořena řada prostupů například ve formě otvorů £0, které propojuji prostor v po

-10CZ 280824 B6 dělném kanálu 20 a prostorem bezprostředně obklopujícím komoru 44 pro vzorky vzduchu. Otvory 30 umožňují difúzi oxidu uhličitého do podélného kanálu 20, ve kterém oxid uhličitý pohlcuje část záření a tím snižuje množství záření, které dorazí až na detekční jednotku 26. Stupeň absorpce má vztah ke koncentraci oxidu uhličitého v podélném kanálu 20.

Ve výhodném příkladném provedení je zdrojem 12 záření miniaturní vodič, který je zahříván elektrickým proudem a který emituje spektrum záření blízké spektru absolutně černého tělesa, které je v tomto případě černým zářičem. V tomto výhodném provedení se zdroj 12 záření vypíná a zapíná v půlsekundových intervalech, to znamená je modulováno s frekvencí 1,0 Hz.

V obměněném příkladném provedení může být zdrojem 12 záření laserová dioda.

Podle tohoto příkladného provedení vynálezu vyzařuje zdroj 12 záření v absorpčním pásmu oxidu uhličitého, které má vlnovou délku 4,26 mikronu. Filtru 24 slouží k omezování záření, dopadajícího na detekční jednotku 26., na stejné vlnové pásmo. Je-li zdrojem 12 záření polovodičový laser, není třeba použít filtr 24.

Pouzdro 46 je dutým krabicovitým dílem, který může být vyformován z plastu nebo může být sestaven například z plechu. Pouzdro 46 je opatřeno otvory, zejména podlouhlými otvory 48.

V prvním příkladném provedení detektoru podle vynálezu, zobrazeného na obr. 1 a 2, jsou podélné otvory 48 překryty základní nosnou vrstvou 62., která je nosnou vrstvou pro membránu 60. Membrána 60 je vytvořena ze silikonové pryže a základní nosná vrstva

2. je tvořena tenkou vrstvou velmi propustné textilie, například ze skleněných vláken nebo z materiálu pro dámské punčochové zboží. Ačkoliv propustnost membrány 60 ze silikonové pryže pro oxid uhličitý je v zásadě prokázána, řešení podle vynálezu využívá takovou membránu 60, která je propustná pro oxid uhličitý, ale zůstává nepropustná pro částice kouře, prachu, vody a oleje. Například vzduchové filtry, jejich použití rovněž přicházelo v úvahu, zachycuje částice větší než 0,01 mikronu a dovolují volný průchod vzduchu.

Obr. 3 a 4 znázorňuji druhé příkladné provedení detektoru požáru podle vynálezu, které se liší od prvního příkladného provedení detektoru pouze v umístěni propustné membrány 60. V tomto druhém příkladném provedení je propustná membrána 60 připojena ke komoře 44 místo k pouzdru 46 a je napnuta přes otvory 30 komory 44, obsahující vzorek vzduchu. Protože tyto otvory 30 tvoři jediné spojení vnitřního prostoru podélného kanálu 20 s okolním ovzduším, je zřejmé, že nežádoucí částice prachu, kouře, vody a oleje zůstávají zachyceny mimo podélné kanály 20, zatímco oxid uhličitý může pronikat do podélného kanálu 20 difúzí přes propustnou membránu 60 a otvory 30.. V tomto druhém příkladném provedení je pouzdro 46 rovněž opatřeno podlouhlými otvory 48, které umožňují vstup okolního vzduchu do prostoru mezi pouzdrem 46 a komorou 44 pro vzorky vzduchu.

Obr. 5 zobrazuje prvku, které jsou umístěny v elektronickém úseku 42 detektoru požáru.

-11CZ 280824 B6

Elektronický obvod 66 vysílá časové impulsy proudu prvním vedením 68 pro buzení zdroje 12 zářeni. Zdroj 12 emituje záření, které je vyzařováno podélným kanálem 20 a filtrem 24 a dopadá na detekční jednotku 26. Detekční jednotka 26 produkuje elektrický signál, který je veden druhým vedením 70 a který vyjadřuje intenzitu záření, dopadající na detekční jednotku 26; tento elektrický signál se druhým vedením 70 přivádí do elektronického obvodu 66.

Ve výhodném příkladném provedení vynálezu je použit AC elektronický obvod 66 s analogovým počítačem a zdroj 12 záření je ovládán impulsy s frekvencí řádově 1 Hz.

V jiném příkladném provedení vynálezu je možno použít DC elektronického obvodu s digitálním počítačem a zdroj 12 zářeni v tomto případě pracuje plynule.

Jestliže se ve střežené oblasti nevyskytuje požár, projevují se konstantní velikost proudových impulsů, vysílaných do zdroje 12 záření, řadou impulsů v druhém vedení 70, které mají také stejnou velikost. Zpětné záření, dopadající na detekční jednotku 26, je stálé a produkuje DC složku v druhém vedení 70, která se eliminuje v AC elektronickém obvodu 66. Jestliže vznikne požár, zvýší se koncentrace oxidu uhličitého ve vzduchu a tím také v podélném kanálu 20 a protože oxid uhličitý absorbuje část záření, emitovaného zdrojem 12 záření, amplituda signálu v druhém vedení 70 se zmenší. Stupeň zmenšeni amplitudy signálu, vyplývající z určité úrovně koncentrace oxidu uhličitého, může být stanoven kalibrováním přístroje při kontrolovaných podmínkách. Koncentrace oxidu uhličitého má tak vztah ke snížení amplitudy signálu v druhém vedení 70. Elektronický obvod 66 vysílá do třetího vedení 72 signály, které odpovídají koncentraci oxidu uhličitého. Tento elektronický obvod 66 vysílá také signály do čtvrtého vedení 74, přičemž tyto signály sdělují informace o rychlosti změn koncentrace oxidu uhličitého. Signály v třetím vedeni 72 a ve čtvrtém vedení 74 jsou přiváděny do poplachového signálního obvodu 76. Tento poplachový signální obvod 76 přijímá také data prahové úrovně koncentrace oxidu uhličitého z prvního kompenzátoru 78. a data prahové úrovně změn koncentrace z druhého kompenzátoru 80. Poplachový signální obvod 76 porovnává naměřenou koncentraci oxidu uhličitého s prahovou úrovní koncentrace, nastavenou na prvním kompenzátoru 78., a porovnává také zjištěnou rychlost změny koncentrace oxidu uhličitého s prahovou úrovní rychlosti změny koncentrace, předem nastavenou na druhém kompenzátoru 80, přičemž signály pro toto druhé porovnávání se získávají ze čtvrtého vedení 74.

V tomto místě vyhodnocování se naskýtá několik možností. Ve výhodném provedení vynálezu je počet falešných poplachů omezen na minimum požadavkem, aby podmínkou pro vyhlášení poplachu bylo překročení jak koncentrace oxidu uhličitého, tak také rychlosti růstu koncentrace oxidu uhličitého nad nastavené prahové úrovně. V jiném příkladném provedení může být poplach vyhlášen již tehdy, jestliže alespoň jedna z obou sledovaných hodnot, to znamená koncentrace oxidu uhličitého nebo rychlosti růstu koncentrace, překročí nastavené prahové úrovně. Tento druhý způsob je nutně rychlejší, ale vyvolává také větší počet falešných poplachů. V ještě jiném příkladném provedení je volen kompromis mezi délkou reakční doby s počtem falešných poplachů vytvořením lineární kombinace

-12CZ 280824 B6 koncentrace a rychlosti její změny, přičemž k vyslání poplašného signálu dochází, jestliže tato lineární kombinace překročí některou prahovou hodnotu.

Ve výhodném příkladném provedené detektoru podle vynálezu se při aktivování poplašného signálu přivede elektrický proud jak na první generátor 82 akustického signálu, tak na druhý generátor 84 světelného signálu.

Kalibrování detektoru požáru může být prováděno umístěním tohoto detektoru do speciálně připravené atmosféry, která obsahuje koncentraci oxidu uhličitého, která je považována za zaznamenatelně zvýšenou koncentraci, to znamená takovou koncentraci, která se předpokládá na začátku požáru, a nastavováním prvního kompenzátoru 78 na postupně se snižující prahovou hodnotu, dokud se ozývá poplachový signál.

Podobně je možno provést kalibrování rychlosti změny koncentrace, které může být teoreticky uskutečněno elektronickou simulací nárůstu koncentrace oxidu uhličitého, umožněním elektronickému obvodu 66 generovat rychlostní signál do čtvrtého vedení 74 a nastavením druhého kompenzátoru 80 postupně na nižší rychlost směrem k prahové hodnotě, dokud se ozývá poplachový signál.

Tyto metody kalibrace detektoru požáru mají výhodu ve skutečnosti, že detektor nepotřebuje pro svoji činnost absolutní měření koncentrace oxidu uhličitého nebo rychlosti růstu této koncetrace, ale pouze signály, které mají vztah k těmto hodnotám v naznačeném smyslu.

Popis příkladného provedení obsahuje velmi jednoduchý a levný detektor požáru, který vysílá podstatně dříve poplachové signály než dosud používané kouřové detektory, protože reaguje nikoliv na kouř, ale na vývin oxidu uhličitého při hoření.

Předchozí popis obsahuje jen některá z možných provedení detektoru podle vynálezu, přičemž odborníkům je zřejmé, že v rozsahu patentových nároků je možno uskutečnit další konstrukční obměny.

Claims (8)

1. Detektor požáru, citlivý na výskyt oxidu uhličitého, vyvíjeného při požáru, v okolním vzduchu, obsahující detekční jednotku, generující signál, odpovídající záření, dopadajícímu na detekční jednotku, vyznačující se tím, že detekční jednotka (26) je umístěna na jednom konci kanálu (20) ve vzorkovací komoře (44), obsahující vzorek vzduchu a propojené s okolním ovzduším, a na druhém konci kanálu (20) ve vzorkovací komoře (44) je umístěn zdroj (12) záření o vlnové délce zejména 4,26 mikronů, přičemž vzorkovací komora (44) obsahuje membránu (60), propustnou pro oxid uhličitý a nepropustnou pro kouř, prach, olej a vodu, která je umístěna mezi kanálem (20) a okolním vzduchem, a detekční jednotka (26) je spojena s elektronickým úsekem (42), obsahujícím elektronický obvod (66) se zdrojem nejméně jednoho signálu, vybraného ze skupiny, zahrnující signál koncentrace oxidu uhličitého a signál rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého.

2. Detektor požáru podle nároku 1, vyznačující se tím, že elektronický obvod (66) obsahuje zdroj časových impulsů, spojený se zdrojem (12) záření, a detekční jednotka (26) obsahuje zdroj elektrických signálů, odpovídajících intenzitě dopadajícího záření, který je spojen s prvním dílčím vyhodnocovacím obvodem změn amplitudy v elektronickém obvodu (66), obsahujícím druhý dílčí vyhodnocovací obvod, který je zdrojem signálu, vybraného ze skupiny signálů, zahrnujících signál koncentrace oxidu uhličitého, signál rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého a signál koncentrace oxidu uhličitého i rychlosti změny koncentrace oxidu uhličitého, přičemž elektronický obvod (66) je spojen s poplachovým signálním obvodem (76).

3. Detektor požáru podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že kanál (20) ve vzorkovací komoře (44) má tvar U a jeho vnitřní prostor je spojen s okolním prostředím otvory (30) ve stěnách vzorkovací komory (44).

4. Detektor požáru podle nejméně jednoho z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že vzorkovací komora (44) a elektronický úsek (42) jsou uloženy v pouzdru (46), opatřeném nejméně jedním otvorem (48).

5. Detektor požáru podle nároků la3, vyznačující se tím, že propustnou membránou (60) jsou překryty průchozí otvory (30) vzorkovací komory (44) a propustná membrána (60) je umístěna na povrchu nejméně jedné stěny vzorkovací komory (44).

6. Detektor požáru podle se tím, že otvory bránou (60).

nároků 1 a 4, v y z n (48) pouzdra (46) jsou a č u j í c í překryty mem

7.

Detektor požáru se tím, že podle nároků 5 a 6, v membránou (60) je pryžová yznačuj ící membrána ze siliko-14CZ 280824 B6 nové pryže, kterou je pokryta základní nosná vrstva (62) zejména z propustné textilie.

8. Detektor požáru podle nejméně jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že vzorkovací komora (44) sestává ze dvou polovin, obsahujících žlábky, které jsou polovinami kanálu (20).