EP0234961B1 - Dispositif de détection rapide d'incendie - Google Patents

Dispositif de détection rapide d'incendie Download PDF

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EP0234961B1
EP0234961B1 EP87400011A EP87400011A EP0234961B1 EP 0234961 B1 EP0234961 B1 EP 0234961B1 EP 87400011 A EP87400011 A EP 87400011A EP 87400011 A EP87400011 A EP 87400011A EP 0234961 B1 EP0234961 B1 EP 0234961B1
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radiation
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pyroelectric
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André Benhamou
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KIDDE DEXAERO
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    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B29/00—Checking or monitoring of signalling or alarm systems; Prevention or correction of operating errors, e.g. preventing unauthorised operation
    • G08B29/18—Prevention or correction of operating errors
    • G08B29/183—Single detectors using dual technologies
    • G—PHYSICS
    • G08—SIGNALLING
    • G08B—SIGNALLING OR CALLING SYSTEMS; ORDER TELEGRAPHS; ALARM SYSTEMS
    • G08B17/00—Fire alarms; Alarms responsive to explosion
    • G08B17/12—Actuation by presence of radiation or particles, e.g. of infrared radiation or of ions

Definitions

  • the invention relates to a rapid flame detection device, in particular an oil fire, in particular in an armored vehicle.
  • a rapid flame detection device in particular an oil fire, in particular in an armored vehicle.
  • Such a device is known for example from GB-A-2 142 757.
  • the fuel tank In a combat tank the fuel tank is generally inside the armored vehicle that this tank constitutes; It lines an important part of the walls.
  • the weapons used to attack these tanks are explosive charges with hollow charges which concentrate thermal energy at a point and act like a torch to pierce the armor.
  • the machine also passes through the fuel tank; as a result, this fuel vaporizes in the passenger compartment and ignites rapidly in an explosive manner.
  • the protection of persons inside the armored vehicle therefore requires automatic and rapid detection of a flame or an explosion in order to activate, also automatically and rapidly, a fire extinguisher in the passenger compartment.
  • the detection device must be particularly selective, that is to say that it does not risk triggering the extinguisher if there is no fire.
  • the electromagnetic radiation emission properties of the hydrocarbon combustion flames are generally used.
  • the spectrum of these flames extends from the ultraviolet (UV) domain to the infrared (IR) domain.
  • UV ultraviolet
  • IR infrared
  • the ultra-violet it is especially the solar radiation which can be confused with a hydrocarbon flame.
  • the shortest wavelength of solar UV radiation is 0.25 microns while the flames of hydrocarbons emit below this wavelength; under these conditions, a UV radiation detector sensitive to wavelengths less than 0.25 microns is usually used.
  • an infrared radiation detector is used to ensure that we are dealing with heating radiation.
  • the invention provides a detection device of the kind mentioned above which is simple to perform while reducing the risk of false alarms.
  • a pyroelectric sensor consists of a crystal, for example of lithium tantalate, one face of which receives the radiation to be detected. The application of radiation causes heating and the production of a charge of the capacitor.
  • Such a pyroelectric sensor was previously known for detecting fires; however, it has so far not been used for very rapid detection, as it is considered to be slow responding.
  • the inventor has found that by using the voltage signal of such a pyroelectric sensor, a signal of very high quality is obtained in a few milliseconds.
  • the pyroelectric sensor accumulates the thermal energy received and, therefore, behaves like an integrator (in the mathematical sense of the term), which makes it possible to obtain an excellent signal-to-noise ratio and reduces the risk of false alarms.
  • the discriminating power of the detection device is further increased because, in this wavelength zone, parasitic sources that constitute heat sources in common glass bulbs are even more eliminated: lighting lamps, photographic flash , etc ....
  • the flame detection device which will now be described in relation to the figures comprises, in known manner, a detector 10 of ultra violet radiation which is sensitive to wavelengths between 0.18 and 0.25 microns and which is thus sensitive to the radiation emitted by the flames of hydrocarbons but insensitive to solar radiation (the spectrum of which begins only at 0.25 microns approximately).
  • a pyroelectric sensor 11 of infrared radiation is also provided.
  • this sensor 11 does not deliver a signal when the infrared radiation it receives is of constant amplitude.
  • incident radiation of amplitude constant allows a signal to be obtained provided that this signal is the voltage across the capacitor that constitutes the pyroelectric crystal; this latter property results from the following considerations:
  • the behavior (in voltage) of the pyroelectric crystal is no longer integrative but derivative because, then, its temperature only varies if the power of the incident radiation varies.
  • FIG. 3a shows the amplitude variations I L as a function of time t of infrared radiation of constant wavelength. This radiation appears suddenly at time t0.
  • the voltage response of the pyroelectric sensor 11 is represented by curve 13 in FIG. 3b.
  • the time which elapses between the instant t0 and the instant t de, of maximum response V M is relatively short, of a few milliseconds, at most a hundred milliseconds.
  • Another advantage of a pyroelectric sensor which, in steady state, directly provides a rate of change signal, is that it does not require the use of a branch circuit. The production of the detection device is therefore simplified, which makes this device more reliable.
  • a filter In front of the lithium tantalate pyroelectric detector, a filter is placed which lets through only radiation of wavelengths between 4 and 4.5 microns approximately, which further increases the discriminating power. Indeed, at these wavelengths, the solar radiation is weakened due to the presence of carbon dioxide C02 in the atmosphere and the light sources contained in a current glass envelope do not emit infrared of these wavelengths, current glass stopping radiation from about 2.7 microns.
  • the signal V of the pyroelectric sensor 11 is applied to the input of a low-pass filter 16 whose high cut-off frequency is approximately 5 KHz. This eliminates false alarms that would result from short-lived spurious signals.
  • the output of the filter 16 is applied to the first input 171 of a comparator 17 whose second input 172 receives a signal representing a predetermined threshold.
  • This comparator 17 delivers a signal on its output 173 when the signals 171 and 172 are equal or when the signal on the input 171 is greater than the signal on the input 172.
  • the 173 output is connected to the first 181 input of a AND gate 18, the second input 182 of which receives a signal from a channel 19 for processing the signal supplied by the ultraviolet (UV) radiation detector 10.
  • This fly 19 comprises a relaxer circuit 20, which will be described in more detail in connection with FIG. 2, supplying pulses every 2 ms approximately when UV radiation is detected. These pulses are delivered to the counting input 21 of a counter 22 mounted as a comparator to transmit a signal on its output 23, which is connected to the input 182 of the gate 18, when the number 2 has been reached.
  • the output pulses of circuit 20 are also applied to the reset input (RESET) 24 of a divider by sixteen 25 whose input receives a clock signal supplied by an oscillator 26 of period 1.25 milliseconds .
  • the output of the divider 25 is connected to the reset input 27 of the counter 22.
  • the relaxer circuit 20 (fig. 2) is supplied by a voltage source which applies a potential of 500 volts to a terminal 30 of a resistor 31 of great value, for example 15 megohm (M ⁇ ), the other terminal of which is connected, on the one hand, to ground via a capacitor 32 and, on the other hand, to the first electrode 33 of the detector 10, the other electrode 34 of which is connected to ground via d '' a measurement resistor 35.
  • a voltage source which applies a potential of 500 volts to a terminal 30 of a resistor 31 of great value, for example 15 megohm (M ⁇ ), the other terminal of which is connected, on the one hand, to ground via a capacitor 32 and, on the other hand, to the first electrode 33 of the detector 10, the other electrode 34 of which is connected to ground via d '' a measurement resistor 35.
  • this circuit is as follows: when the sensor 10 does not receive ultraviolet radiation of wavelength between 0.18 and 0.25 microns this sensor constitutes an open circuit and the terminal 36 of the resistor 31 opposite the terminal 30 remains at the potential of 500 volts and the potential difference across the resistor 35 is zero. When ultraviolet radiation appears, ionization occurs inside the detector tube 10, which makes the space 33,34 conductive. Under these conditions the capacitor 32 discharges into the resistor 35 and, across the latter, a pulse therefore appears. When the potential of point 36 falls below the value of 350 volts the ionization in the tube 10 cannot be maintained meager the presence of ultraviolet radiation and this detector then constitutes an open circuit; under these conditions the capacitor 32 is recharged which allows, if the UV radiation subsite, the production of a new pulse.

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Description

  • L'invention est relative à un dispositif de détection rapide de flamme, notamment un incendie d'hydrocarbures, en particulier dans un véhicule blindé. Un tel dispositif est connu par exemple de GB-A-2 142 757.
  • Dans un char de combat le réservoir de carburant se trouve généralement à l'intérieur du véhicule blindé que constitue ce char; Il tapisse une partie importante des parois.
  • Les armes utilisées pour s'attaquer à ces chars sont des engins explosifs à charges creuses qui concentrent l'énergie thermique en un point et agissent à la manière d'un chalumeau pour transpercer le blindage. L'engin traverse également le réservoir de carburant; il en résulte que ce carburant se vaporise dans l'habitacle et s'enflamme rapidement de manière explosive. La protection des personnes à l'intérieur du véhicule blindé impose donc une détection automatique et rapide d'une flamme ou d'une explosion pour actionner, également de façon automatique et rapide, un extincteur dans l'habitacle.
  • Pour fixer les Idées on précise ici qu'on estime en général qu'il doit s'écouler au maximum 150 millisecondes entre le début de l'incendie et son extinction pour que le personnel ne soit pas atteint de brûlure au premier degré.
  • Pour éviter les fausses alarmes il est nécessaire que le dispositif de détection soit particulièrement sélectif, c'est à dire qu'il ne risque pas de déclencher l'extincteur si il n'y a pas d'incendie. Pour cette détection sélective on utilise généralement les propriétés d'émission de rayonnement électromagnétique des flammes de combustion d'hydrocarbures. Le spectre de ces flammes s'étend du domaine ultra-violet (UV) au domaine infra-rouge (IR). Dans l'ultra-violet c'est surtout le rayonnement solaire qui peut être confondu avec une flamme d'hydrocarbure. Mais la plus courte longueur d'onde de rayonnement UV solaire est de 0,25 micron alors que les flammes d'hydrocarbures émettent au-dessous de cette longueur d'onde; dans ces conditions on utilise habituellement un détecteur de rayonnement UV sensible à des longueurs d'onde inférieures à 0,25 micron.
  • On utilise par ailleurs un détecteur de rayonnement infrarouge pour s'assurer qu'on a bien affaire à un rayonnement chauffant.
  • L'invention fournit un dispositif de détection du genre mentionné ci-dessus qui est de réalisation simple tout en réduisant le risque de fausses alarmes.
  • Elle est caractérisée par les caractéristiques énumérés dans la revendication 1.
  • Un capteur pyroélectrique est constitué par un cristal, par exemple de tantalate de lithium, dont une face reçoit le rayonnement à détecter. L'application du rayonnement provoque un échauffement et la production d'une charge du condensateur. Un tel capteur pyroélectrique était antérieurement connu pour la détection d'incendies; mais il n'a jusqu'à présent pas été utilisé pour une détection très rapide, car il est considéré comme étant à réponse lente. Mais l'inventeur a constaté qu'en utilisant le signal de tension d'un tel capteur pyroélectrique on obtenait, en quelques millisecondes, un signal d'une très borne qualité. On peut expliquer cette propriété par le fait que le capteur pyroélectrique accumule l'énergie thermique reçue et, de ce fait, se comporte comme un intégrateur (au sens mathématique du terme), ce qui permet d'obtenir un excellent rapport signal à bruit et diminue le risque de fausses alarmes.
  • Par ailleurs en régime permanent une variation lente de la température ambiante ou la variation lente de l'amplitude du rayonnement incident ne provoque pas de signal, ce qui contribue encore à la diminution du risque de fausses alarmes. De plus que ce soit en début de détection ou en régime permanent, le signal obtenu est très peu entaché de bruit.
  • Enfin le circuit associé à un tel capteur pyroélectrique est d'une grande simplicité.
  • Pour diminuer le risque de fausses alarmes résultant des signaux parasites de très courte durée, il est avantageux de prévoir, à la suite du capteur pyroélectrique, un filtre passe-bas dont la fréquence de coupure haute est de l'ordre de 5 Khz.
  • Devant le capteur pyroélectrique, par exemple à base de tantalate de lithium, on dispose un filtre ne laissant passer que les longueurs d'onde comprises de préférence entre 4 et 4,5 microns. Ainsi on accroît encore plus le pouvoir discriminateur du dispositif de détection car, dans cette zone de longueurs d'onde, on élimine encore plus les sources parasites que constituent les sources de chaleur dans des ampoules de verre courant : lampes d'éclairage, flash photographique, etc... .
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se réfèrant aux dessins ci-annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est un schéma d'un dispositif de détection selon l'invention,
    • la figure 2 est un schéma d'une réalisation d'une partie du dispositif de la figure 1, et
    • les figures 3a et 3b sont des diagrammes se rapportant au fonctionnement du dispositif de la figure 1.
  • Le dispositif de détection de flammes que l'on va maintenant décrire en relation avec les figures comporte, de façon en soi connue, un détecteur 10 de rayonnement ultra violet qui est sensible aux longueurs d'onde comprises entre 0,18 et 0,25 microns et qui est ainsi sensible au rayonnement émis par les flammes d'hydrocarbures mais insensible au rayonnement solaire (dont le spectre ne débute qu'à 0,25 microns environ).
  • Selon l'invention on prévoit aussi un capteur pyroélectrique 11 de rayonnement infra-rouge. En régime permanent, ce capteur 11 ne délivre pas de signal lorsque le rayonnement infra-rouge qu'il reçoit est d'amplitude constante. Cependant, à l'apparition d'une flamme, c'est-à-dire en régime transitoire, un rayonnement incident d'amplitude constante permet l'obtention d'un signal à condition que ce signal soit la tension aux bornes du condensateur que constitue le cristal pyroélectrique; cette dernière propriété résulte des considérations suivantes :
  • Une énergie dε appliquée sur une face du cristal pyroélectrique provoque une charge dq du condensateur de capacité C que constitue ce cristal. On peut ainsi écrire :

    dq = Kdε = CdV   (1)
    Figure imgb0001

       Dans la formule ci-dessus V est la tension aux bornes du condensateur et K est une constante. De cette formule on déduit :
    Figure imgb0002
       Dans cette formule P est la puissance du rayonnement incident.
  • Ainsi :

    dV = K C Pdt   (4), soit :
    Figure imgb0003

    Figure imgb0004
       Ainsi avant d'atteindre l'équilibre thermique avec le milieu ambiant le cristal pyroélectrique accumule l'énergie et la tension à ses bornes est l'intégrale, ou primitive, de la puissance du rayonnement incident. Ce caractère intégrateur du signal de tension permet d'obtenir un rapport signal à bruit particulièrement favorable.
  • Quand le cristal pyroélectrique a atteint l'équilibre thermique, le comportement (en tension) du cristal pyroélectrique n'est plus intégrateur mais dérivateur car, alors, sa température ne varie que si la puissance du rayonnement incident varie.
  • Le fonctionnement de ce capteur 11 est illustré par les diagrammes des figures 3a et 3b.
  • Sur la figure 3a on a représenté les variations d'amplitude IL en fonction du temps t d'un rayonnement infra-rouge de longueur d'onde constante. Ce rayonnement apparait brusquement au temps t₀. la réponse en tension du capteur pyroélectrique 11 est représentée par la courbe 13 de la figure 3b. Le temps qui s'écoule entre l'instant t₀ et l'instant t₁, de réponse maximum VM est relativement faible, de quelques millisecondes, au plus une centaine de millisecondes.
  • Un autre avantage d'un capteur pyroélectrique, qui, en régime permanent, fournit directement un signal de taux de variation, est qu'il ne nécessite pas l'utilisation d'un circuit dérivateur. La réalisation du dispositif de détection est donc simplifiée, ce qui rend ce dispositif plus fiable.
  • Devant le détecteur pyroélectrique au tantalate de lithium est disposé un filtre ne laissant passer que les rayonnements de longueurs d'onde comprises entre 4 et 4,5 microns environ, ce qui augmente encore le pouvoir discriminateur. En effet, à ces longueurs d'onde, le rayonnement solaire est affaibli du fait de la présence de l'annydride carbonique C0₂ dans l'atmosphère et les sources lumineuses contenues dans une enveloppe de verre courant n'émettent pas d'infrarouge de ces longueurs d'ondes, le verre courant arrêtant le rayonnement à partir de 2,7 microns environ.
  • Le signal V du capteur pyroélectrique 11 est appliqué à l'entrée d'un filtre passe-bas 16 dont la fréquence de coupure haute est de 5 KHz environ. Ainsi on élimine les fausses alarmes qui résulteraient des signaux parasites de courte durée.
  • La sortie du filtre 16 est appliquée sur la première entrée 17₁ d'un comparateur 17 dont la seconde entrée 17₂ reçoit un signal représentant un seuil prédéterminé. Ce comparateur 17 délivre un signal sur sa sortie 17₃ quand les signaux 17₁ et 17₂ sont égaux ou quand le signal sur l'entrée 17₁ est supérieur au signal sur l'entrée 17₂. La sortie 17₃ est connectée à la première entrée 18₁ d'une porte ET 18 dont la seconde entrée 18₂, reçoit un signal d'une voie 19 de traitement du signal fourni par le détecteur de rayonnement ultra-violet (UV) 10.
  • Cette vole 19 comporte un circuit relaxateur 20, qui sera decrit plus en détail en relation avec la figure 2, fournissant des impulsions toutes les 2ms environ quand un rayonnement UV est détecté. Ces impulsions sont délivrées à l'entrée de comptage 21 d'un compteur 22 monté en comparateur pour émettre un signal sur sa sortie 23, qui est reliée à l'entrée 18₂ de la porte 18, quand le nombre 2 a été atteint.
  • Les impulsions de sortie du circuit 20 sont également appliquées sur l'entrée de remise à zéro (RAZ) 24 d'un diviseur par seize 25 dont l'entrée reçoit un signal d'horloge fourni par un oscillateur 26 de période 1,25 milliseconde. La sortie du diviseur 25 est connectée à l'entrée de remise à zéro 27 du compteur 22.
  • Si dans les 20 millisecondes qui suivent l'émission d'une première impulsion par le circuit relaxateur 20, il apparait une seconde impulsion sur l'entrée 21 du compteur 22, la sortie 23 applique un signal sur l'entrée 18₂ de la porte ET 18. Par contre si, dans ces 20 millisecondes, il n'apparait pas une seconde impulsion à la sortie du relaxateur 20, le diviseur 25 n'est pas remis à zéro dans cet intervalle de temps et, dans ces conditions, une impulsion de remise à zéro en appliquée sur l'entrée 27 du compteur 22 dont le contenu ne, peut atteindre le nombre 2. Ainsi il n'y a pas de signal de détection d'incendie sur l'entrée 18₂.
  • Le circuit relaxateur 20 (fig.2) est alimenté par une source de tension qui applique un potentiel de 500 volts sur une borne 30 d'une résistance 31 de grande valeur, par exemple 15 megohm (MΩ), dont l'autre borne est connectée, d'une part, à la masse par l'intermédiaire d'un condensateur 32 et, d'autre part, à la première électrode 33 du détecteur 10 dont l'autre électrode 34 est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance de mesure 35.
  • Le fonctionnement de ce circuit est le suivant : quand le capteur 10 ne reçoit pas de rayonnement ultra-violet de longueur d'onde comprise entre 0,18 et 0,25 micron ce capteur constitue un circuit ouvert et la borne 36 de la résistance 31 opposée à la borne 30 reste au potentiel de 500 volts et la différence de potentiel aux bornes de la résistance 35 est nulle. Quand un rayonnement ultra-violet apparait une ionisation se produit a' l'inférieur du tube détecteur 10 ce qui rend conducteur l'espace 33,34. Dans ces conditions le condensateur 32 se décharge dans la résistance 35 et, aux bornes de cette dernière, il apparait donc une impulsion. Quand le potentiel du point 36 tombe au dessous de la valeur de 350 volts l'ionisation dans le tube 10 ne peut pas être entretenue maigré la présence du rayonnement ultra-violet et ce détecteur constitue alors un circuit ouvert; dans ces conditions le condensateur 32 se recharge ce qui permet, si le rayonnement UV subsite, la production d'une nouvelle impulsion.
  • En variante, à la place du signal de tension du capteur pyroélectrique on utilise son signal de courant. Mais dans ce cas on fait appel à un intégrateur pour intégrer ce signal de courant. L'intensité du courant utilisé par le condensateur étant, au début de la détection, proportionnelle à la puissance P du rayonnement incident, on intègre ainsi cette puissance P.

Claims (6)

  1. Dispositif de détection rapide d'explosions d'hydrocarbures à l'intérieur d'un véhicule blindé, ce dispositif étant destiné à actionner rapidement un extincteur, caractérisé en ce qu'étant destiné a' effectuer une détection en un temps d'au plus 100 millisecondes, il comporte un détecteur à capteur pyroélectrique (11) dont le signal de sortie est le signal de tension aux bornes de ce capteur, ce signal étant exploité par des moyens de circuit (16, 17) dépourvus de circuit de calcul de taux de variation tel qu'un circuit dérivateur.
  2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte, à la suite du capteur pyroélectrique (11), un filtre passe-bas (16) dont la fréquence de coupure haute est de l'ordre de 5KHz.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur pyroélectrique (11) étant sensible aux variations d'intensité de rayonnement dans le spectre infra-rouge, le détecteur comporte, devant le capteur, un filtre ne laissant passer que le rayonnement de longueur d'onde comprise entra 4 et 4,5 microns environ.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le capteur pyroélectrique comporte un cristal de tantalate de lithium.
  5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un second capteur (10) sensible à la présence d'un rayonnement ultra-violet émis par la flamme.
  6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le second capteur est sensible au rayonnement ultra-violet de longueur d'onde inférieure à 0,25 microns.
EP87400011A 1986-01-10 1987-01-06 Dispositif de détection rapide d'incendie Expired - Lifetime EP0234961B1 (fr)

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EP0234961A1 EP0234961A1 (fr) 1987-09-02
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