ITMI20010197A1

ITMI20010197A1 - IMPROVED EQUIPMENT TO DETECT VARIATIONS OF SIZE OF PHYSICAL QUANTITIES THAT CAN BE USED ESPECIALLY TO DETECT THE CHANGE

Info

Publication number: ITMI20010197A1
Authority: IT
Inventors: Marco Oggioni
Original assignee: Oggioni S A S
Priority date: 2001-02-02
Filing date: 2001-02-02
Publication date: 2002-08-02

Description

Descrizione della domanda di brevetto per invenzione avente titolo: Description of the patent application for an invention entitled:

Apparecchiatura perfezionata per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utilizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura a scopo antincendio in aree classificate con pericolo di esplosione. Improved apparatus for detecting changes in the magnitude of physical quantities especially usable for detecting temperature change for fire-fighting purposes in areas classified as hazardous for explosion.

L’invenzione riguarda le apparecchiature per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utilizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura a scopo antincendio in aree classificate con pericolo di esplosione, ed in particolare concerne un sensore di incendio perfezionato da disporre in vicinanza di impianti, macchinari o attrezzature in genere nei quali per motivi diversi può verificarsi un aumento indesiderato di temperatura che può essere fonte di innesco per una esplosione o per un incendio. The invention relates to equipment for detecting changes in the magnitude of physical quantities which can be used especially for detecting changes in temperature for fire-fighting purposes in areas classified as having danger of explosion, and in particular it concerns an improved fire sensor to be placed in the vicinity of plants, machinery or equipment in general in which, for various reasons, an undesired increase in temperature can occur which can be a source of ignition for an explosion or fire.

STATO DELLA TECNICA ANTERIÓRE STATE OF THE ANTERIOR TECHNIQUE

I sensori di temperatura in finizione antincendio per e in aree classificate a rischio di esplosione sinora utilizzati sono costituiti sostanzialmente da apparecchiature elettromeccaniche Che sfruttano le caratteristiche di resistenza termica od elastica di materiali diversi (ad esempio elementi bimetallici sensibili al calore, come nei sensori commercializzati dalla Fenwal con il marchio Detect-a-Fire, e dalla Notifier Italia Srl identificati con la dicitura Serie 302 oppure quelli descritti nei brevetti US 3806921 Aboyne Pty Ltd, US 4112407 Matsushita Electric Works, Ltd) i quali in presenza di un aumento della temperatura in loro prossimità si deformano chiudendo un contatto ed attivando di conseguenza un segnalatore che a sua volta attiva un sistema di allarme ed in alcuni casi anche i mezzi di spegnimento presenti nell’area controllata dal sensore che si è attivato. The temperature sensors in fire-fighting finish for and in areas classified as at risk of explosion used up to now consist essentially of electromechanical equipment that exploits the characteristics of thermal or elastic resistance of different materials (for example, bimetallic elements sensitive to heat, as in the sensors marketed by Fenwal with the Detect-a-Fire brand, and by Notifier Italia Srl identified with the wording Series 302 or those described in US patents 3806921 Aboyne Pty Ltd, US 4112407 Matsushita Electric Works, Ltd) which in the presence of an increase in temperature in their proximity are deformed by closing a contact and consequently activating a signaling device which in turn activates an alarm system and in some cases also the extinguishing means present in the area controlled by the sensor that has been activated.

Le apparecchiature note essendo dispositivi meccanici non dispongono di alcun sistema di auto-diagnosi, fondamentale per un apparato di sicurezza, sono abbastanza sensibili agli urti (shock meccanici) ed hanno inoltre prestazioni che degradano sensibilmente alle basse temperature. As known devices are mechanical devices, they do not have any self-diagnosis system, which is essential for a safety apparatus, they are quite sensitive to impacts (mechanical shocks) and also have performances that significantly degrade at low temperatures.

Inoltre, considerando che la gestione moderna degli impianti di sicurezza necessita di segnalazioni remote di tipo informatico per la gestione e l’archiviazione di dati, attualmente non esistono sensori in grado di segnalare tempestivamente, non solo l’aumento di temperatura indice di un potenziale principio di incendio, ma anche la posizione esatta del sensore che ha segnalato l’anomalia termica o una indicazione di mal funzionamento del dispositivo stesso. Furthermore, considering that the modern management of security systems requires remote IT-type signaling for the management and archiving of data, currently there are no sensors capable of promptly signaling, not only the temperature increase, which indicates a potential principle. of fire, but also the exact position of the sensor that signaled the thermal anomaly or an indication of malfunction of the device itself.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE SUMMARY OF THE INVENTION

La presente invenzione riguarda un sensore di incendio perfezionato, per impiego in aree con pericolo di esplosione, in grado di rilevare la temperatura dell’ambiente in cui è installato e che, in base alle informazioni ottenute, è in grado di trasmettere questi valori ad un sistema di sicurezza ad esso collegato per attivare adatti mezzi di intervento, ed è strutturato in modo tale da poter essere utilizzato in un sistema prevedente una serie di sensori interagenti ciascuno identificabile singolarmente da una apposita centrale. The present invention relates to an improved fire sensor, for use in areas with danger of explosion, capable of detecting the temperature of the environment in which it is installed and which, on the basis of the information obtained, is capable of transmitting these values to a security system connected to it to activate suitable intervention means, and is structured in such a way that it can be used in a system having a series of interacting sensors, each individually identifiable by a suitable control unit.

In particolare il sensore di incendio secondo la presente invenzione può essere utilizzato per segnalare situazioni di pericolo, in particolare il pericolo di incendio, derivanti dall’innalzamento della temperatura in un componente di un impianto, soprattutto, ma non esclusivamente, negli impianti industriali, in aree a rischio di esplosione quali le zone di stoccaggio di materiali infiammabili, nell’industria petrolchimica e in tutte le aree a rischio di esplosione e incendio. In particular, the fire sensor according to the present invention can be used to signal dangerous situations, in particular the danger of fire, deriving from the temperature rise in a component of a plant, especially, but not exclusively, in industrial plants, in areas at risk of explosion such as storage areas for flammable materials, in the petrochemical industry and in all areas at risk of explosion and fire.

fi dispositivo è particolarmente idoneo per impieghi in condizioni ambientali particolarmente aggressive anche per la presenza di sostanze corrosive o vapori condensanti, ed è utilizzabile inoltre anche per altre applicazioni, quali ad esempio i trasportatori a nastro, le cabine e le linee per la distribuzione dell’energia elettrica, i trasformatori elettrici, nei depositi di merci e comunque in tutte quelle installazioni dove per attrito, per reazione chimica o per corto circuito possono verificarsi principi di incendio e nei quali è indispensabile verificare quanto prima possibile il punto esatto in cui si sta verificando l’anomalia, soprattutto nel caso di impianti di grandi dimensioni. The device is particularly suitable for use in particularly aggressive environmental conditions also due to the presence of corrosive substances or condensing vapors, and it can also be used for other applications, such as for example belt conveyors, cabins and lines for the distribution of electricity, electrical transformers, in warehouses of goods and in any case in all those installations where by friction, by chemical reaction or by short circuit principles of fire can occur and in which it is essential to verify as soon as possible the exact point in which it is occurring the anomaly, especially in the case of large plants.

BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Le caratteristiche realizzazione dell’apparecchiatura secondo la presente invenzione, risulteranno meglio in seguito in base ai disegni allegati e ad alcuni esempi, citati a titolo indicativo ma non limitativo, in cui: The construction characteristics of the equipment according to the present invention will be better shown later on the basis of the attached drawings and some examples, cited by way of indication but not of limitation, in which:

la Fig. 1 rappresenta il corpo del sensore secondo la presente invenzione; Fig. 1 represents the body of the sensor according to the present invention;

La Fig. 2 è una vista laterale parzialmente in sezione secondo la linea A-A del sensore secondo l’invenzione di Figura 1; Fig. 2 is a partially sectioned side view along the line A-A of the sensor according to the invention of Figure 1;

La Fig. 3 è una vista in sezione secondo la linea B-B di fig. 2 del sensore secondo l’invenzione; Fig. 3 is a sectional view along the line B-B of fig. 2 of the sensor according to the invention;

La Fig. 4 è uno schema a blocchi rappresentante il flusso funzionale dei componenti operativi; Fig. 4 is a block diagram representing the functional flow of the operating components;

La Fig. 5 è uno schema a blocchi rappresentante il flusso funzionale dei componenti operativi nella versione prevedente un microprocessore incorporato; Fig. 5 is a block diagram representing the functional flow of the operating components in the version having an incorporated microprocessor;

DESCRIZIONE DI ALCUNE FORME PREFERITE DI REALIZZAZIONE DESCRIPTION OF SOME PREFERRED MANUFACTURING MODES

Esempio No. 1 Example No. 1

Come indicato negli uniti disegni, l’apparecchiatura per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utilizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura ambiente a scopo antincendio secondo la presente invenzione, comprende: una custodia (1) costituita da un contenitore metallico stagno di ridotte dimensioni realizzato preferibilmente ma non esclusivamente in ghisa o acciaio inox, munito di un coperchio sigillabile (2) al quale è unita una sonda esterna (3) in acciaio inox AISI 304 o ottone cromato, prevedente una zona (4) per il passaggio dei conduttori elettrici per il collegamento di detta apparecchiatura ad altri sensori simili e ad un sistema di controllo remoto (non illustrato), e si caratterizza per il fatto che all’interno della sonda (3) certificata per uso in aree con pericolo di esplosione è previsto un rilevatore di temperatura elettronico miniaturizzato (5) comprendente un circuito (A) di amplificazione e condizionamento del segnale ed un circuito (B) di analisi della derivata del segnale rispetto al tempo, ed un circuito di auto-diagnosi e comparazione (C) collegati funzionalmente ad una resistenza tipo NTC o PT100 oppure ad un sensore allo stato solido, attivabili a seguito del verificarsi un aumento di temperatura percepito tramite la sonda (3) e riconosciuto in base a parametri pre-definiti, nonché un circuito di uscita interfaccia (D). As indicated in the accompanying drawings, the apparatus for detecting variations in the magnitude of physical quantities which can be used especially for detecting the change in ambient temperature for fire-fighting purposes according to the present invention, comprises: a housing (1) consisting of a small-sized watertight metal container preferably but not exclusively made of cast iron or stainless steel, equipped with a sealable lid (2) to which an external probe (3) in AISI 304 stainless steel or chromed brass is joined, providing an area (4) for the passage of electrical conductors for the connection of said equipment to other similar sensors and to a remote control system (not shown), and is characterized by the fact that a detector is provided inside the probe (3) certified for use in areas with danger of explosion electronic temperature sensor (5) comprising a signal amplification and conditioning circuit (A) and a circuit (B) analysis of the derivative of the signal with respect to time, and a self-diagnosis and comparison circuit (C) functionally connected to a resistance type NTC or PT100 or to a solid state sensor, which can be activated following an increase in temperature perceived by the probe (3) and recognized on the basis of pre-defined parameters, as well as an interface output circuit (D).

Vantaggiosamente il contenitore stagno costituente la custodia (1) è un contenitore avente grado di protezione adatto all’uso previsto, mentre la sonda (3) ha un grado di protezione IP685, corrispondente al massimo grado di protezione per gli involucri di questo genere come previsto dalle norme EN60529, ad esempio con diametro 18 mm e lunghezza 85 mm verificato EEx-d per impieghi in aree con pericolo di èsplosione. Advantageously, the watertight container constituting the housing (1) is a container with a degree of protection suitable for the intended use, while the probe (3) has a degree of protection IP685, corresponding to the maximum degree of protection for enclosures of this kind as envisaged. according to EN60529 standards, for example with diameter 18 mm and length 85 mm EEx-d verified for use in areas with danger of explosion.

L’analisi della variazione della temperatura ambiente viene eseguita dall’apparecchiatura secondo l’invenzione, basandosi su due parametri: il primo considera il livello assoluto della temperatura ambiente fissata con due livelli di temperatura (ad esempio 60°c e 80°c), superati i quali il sensore genera un preallarme e quindi un allarme; il secondo parametro è costituito dalla velocità di incremento della temperatura esprimibile in gradi/minuto (es. 10°C/min) superato il quale il sensore genera direttamente un allarme prescindendo dal valore assoluto di temperatura. The analysis of the variation of the ambient temperature is performed by the apparatus according to the invention, based on two parameters: the first considers the absolute level of the ambient temperature set with two temperature levels (for example 60 ° c and 80 ° c), exceeded which the sensor generates a pre-alarm and therefore an alarm; the second parameter is the temperature increase speed expressed in degrees / minute (eg 10 ° C / min) after which the sensor directly generates an alarm regardless of the absolute temperature value.

Per consentire l’impiego sino ad un massimo di No. 20 sensori su un singolo circuito elettrico tutta la parte elettronica dell’apparecchiatura secondo l’invenzione è strutturata in modo da ridurre al massimo l’assorbimento di corrente dell’apparecchiatura secondo l’invenzione (200 uA a riposo). To allow the use of up to a maximum of No. 20 sensors on a single electrical circuit, all the electronic part of the apparatus according to the invention is structured in such a way as to minimize the current absorption of the apparatus according to the invention (200 uA at rest).

Esempio No. 2 Example No. 2

La versione digitale del sensore l’apparecchiatura per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utilizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura ambiente a scopo antincendio secondo la presente invenzione, prevede rinserimento al suo interno di un microprocessore a 8 bit (E) programmato per acquisire il valore analogico della temperatura, per convertirlo in un valore digitale e per inviarlo, tramite una porta seriale sfruttando un protocollo di comunicazione standard, ad una centrale remota. Questa forma di costruzione consente la realizzazione di sistemi distribuiti di acquisizione dati, basati su quelli ormai comunemente definiti “sensori intelligenti”. Un sensore intelligente che è in grado di fornire, oltre alle informazioni del processo controllato, anche dati relativi al proprio iunzionamento tramite una procedura di autodiagnosi, la data dell’ultima manutenzione, i valori di calibrazione, ed altre funzioni ancora a seconda delle esigenze. The digital version of the sensor the apparatus for detecting changes in the magnitude of physical quantities which can be used especially to detect the change in ambient temperature for fire-fighting purposes according to the present invention, provides for the insertion inside it of an 8-bit microprocessor (E) programmed to acquire the analogue temperature value, to convert it into a digital value and to send it, via a serial port using a standard communication protocol, to a remote control unit. This form of construction allows the realization of distributed data acquisition systems, based on those now commonly defined as "intelligent sensors". An intelligent sensor that is able to provide, in addition to the information of the controlled process, also data relating to its operation through a self-diagnosis procedure, the date of the last maintenance, the calibration values, and other functions as needed.

L’apparecchiatura secondo l’invenzione è aumentabile in c.c. o c.a. da 9V a 30V, prevede uscite analogiche a 4-20 mA o 0-20 mA, viene coUegata all’unità centrale tramite due conduttori ed è impostabile con campo di misura da -30° a 100° e può essere utilizzata con qualsiasi centrale antincendio in commercio. The equipment according to the invention can be increased in d.c. or c.a. from 9V to 30V, provides analogue outputs at 4-20 mA or 0-20 mA, is connected to the central unit via two conductors and can be set with a measuring range from -30 ° to 100 ° and can be used with any fire control panel on the market.

FUNZIONAMENTO OPERATION

Nell’apparecchiatura per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura ambiente a scopo antincendio secondo la presente invenzione, un trasduttore di temperatura PTC o NTC provvede a fornire un segnale elettrico proporzionale alla temperatura ambiente. Questo segnale viene filtrato, utilizzando un circuito integratore RC, in modo da eliminare pericolosi transistori che potrebbero causare falsi allarmi ed opportunamente amplificato. A questo punto il segnale viene inviato ad un circuito comparatore, per la determinazione delle soglie di allarme e preallarme e ad un circuito derivatore per l’analisi della derivata rispetto al tempo del valore del segnale per il calcolo del valore incrementale della temperatura. Le uscite del comparatore e del derivatore giungono ad un generatore di corrente costante che funge da driver di uscita del dispositivo. Il generatore di corrente è dimensionato per fornire i seguenti livelli di uscita. In the apparatus for detecting changes in the magnitude of physical quantities that can be used especially to detect the change in ambient temperature for fire-fighting purposes according to the present invention, a PTC or NTC temperature transducer provides an electrical signal proportional to the ambient temperature. This signal is filtered, using an RC integrator circuit, in order to eliminate dangerous transistors that could cause false alarms and suitably amplified. At this point the signal is sent to a comparator circuit, for the determination of the alarm and pre-alarm thresholds and to a shunt circuit for the analysis of the derivative with respect to the time of the signal value for the calculation of the incremental value of the temperature. The comparator and differentiator outputs reach a constant current generator which acts as an output driver of the device. The power source is sized to provide the following output levels.

4 mA condizione di normale funzionamento, 4 mA normal operating condition,

10 mA condizione di preallarme, 10 mA pre-alarm condition,

20 mA condizione di allarme, 20 mA alarm condition,

< 2 mA condizione di guasto. <2 mA fault condition.

Nella versione digitale dell’apparecchiatura per rilevare variazioni di grandezza di quantità fisiche utilizzabili specialmente per rilevare il cambiamento di temperatura ambiente a scopo antincendio secondo la presente invenzione, la presenza di un microprocessore a 8 bit (E), progettato per acquisire il valore analogico della temperatura, convertirla in un valore digitale ed inviarla tramite una porta seriale ad una centrale remota, sfruttando un protocollo di comunicazione standard, sostituisce parte dei circuiti elettronici presenti nella versione di base, in particolare il derivatore ed il comparatore (C) consentendo l’acquisizione e la gestione dei dati, in modo “intelligente” potendo fornire al sistema, oltre alle informazioni del processo controllato, anche dati relativi al proprio funzionamento tramite una procedura di autodiagnosi, la data dell’ultima manutenzione, i valori di calibrazione, ed altre funzioni ancora a seconda delle esigenze. In the digital version of the apparatus for detecting changes in the magnitude of physical quantities which can be used especially for detecting the change in ambient temperature for fire-fighting purposes according to the present invention, the presence of an 8-bit microprocessor (E), designed to acquire the analog value of the temperature, convert it into a digital value and send it via a serial port to a remote control unit, using a standard communication protocol, it replaces part of the electronic circuits present in the basic version, in particular the differentiator and the comparator (C) allowing the acquisition and data management, in an "intelligent" way, being able to provide the system, in addition to the information of the controlled process, also data relating to its operation through a self-diagnosis procedure, the date of the last maintenance, the calibration values, and other functions still depending on your needs.

CONCLUSIONI CONCLUSIONS

E’ evidente da quanto descritto ed illustrato per gli scopi prefissati che le caratteristiche dell’apparecchiatura secondo la presente invenzione la rendono particolarmente idonea per impieghi in ambienti difficili sia per quanto riguarda le sollecitazioni meccaniche che quelle ambientali. Infatti la soluzione elettronica offie notevoli vantaggi rispetto a quella elettromeccanica sinora utilizzata: riduzione dei costi di produzione, sensibilità e precisione di taratura intrinseca, predisposizione per la produzione in serie totalmente automatizzate, insensibilità a urti ( shock meccanici) o vibrazioni, ridotte dimensioni, assenza di parti meccaniche in movimento, assenza di inerzia meccanica, possibilità di funzionamento anche a basse temperature, uscita di segnale proporzionale standard 4-20 mA, due livelli di allarme impostabili, circuito di auto-diagnosi del sensore. It is evident from what has been described and illustrated for the intended purposes that the characteristics of the equipment according to the present invention make it particularly suitable for use in difficult environments both in terms of mechanical and environmental stresses. In fact, the electronic solution offers considerable advantages compared to the electromechanical one used up to now: reduction of production costs, intrinsic sensitivity and accuracy of calibration, predisposition for totally automated series production, insensitivity to impacts (mechanical shocks) or vibrations, reduced dimensions, absence of mechanical moving parts, absence of mechanical inertia, possibility of operation even at low temperatures, 4-20 mA standard proportional signal output, two settable alarm levels, sensor self-diagnosis circuit.

Inoltre nella versione che prevede l inserimento anche di un microprocessore appositamente predisposto, sarà possibile includere ulteriori funzioni, tra le quali: includere un circuito di indirizzamento, per consentire di identificare con esattezza il sensore in allarme o in avaria nel caso in cui si utilizzano più sensori su un unico circuito; possibilità da parte dell’operatore di modificare i parametri di calibrazione sia dei livelli di soglia di temperatura per le condizioni di allarme e preallarme che del valore incrementale °C/min ; memorizzare il livello massimo di temperatura raggiunto; memorizzare la data dell’ultima operazione di verifica o calibrazione del sensore stesso. Furthermore, in the version that also provides for the insertion of a specially prepared microprocessor, it will be possible to include additional functions, including: include an addressing circuit, to allow the exact identification of the sensor in alarm or failure in the event that more than one sensor is used. sensors on a single circuit; possibility for the operator to change the calibration parameters of both the temperature threshold levels for the alarm and pre-alarm conditions and the incremental value ° C / min; memorize the maximum temperature level reached; memorize the date of the last sensor verification or calibration operation.

Ovviamente ogni elemento costruttivo potrà essere sostituito da un altro equivalente senza per questo uscire dall’ambito protettivo della presente invenzione, come descritto, illustrato a titolo indicativo e più avanti rivendicato. Obviously, each constructive element can be replaced by another equivalent without thereby departing from the protective scope of the present invention, as described, illustrated by way of example and claimed below.

Claims

CLAIMS 1. Improved apparatus for detecting changes in the magnitude of physical quantities which can be used especially for detecting temperature changes for fire-fighting purposes in areas classified as being at risk of explosion, comprising: a housing (1) consisting of a small-sized watertight metal container made preferably but not exclusively in cast iron or stainless steel, equipped with a sealable lid, to which an external probe in AISI 304 stainless steel or chromed brass is joined, providing an area for the passage of electrical conductors for the connection of said equipment to other similar sensors and to a remote control system, characterized by the fact that inside the probe certified for use in areas with danger of explosion there is a miniaturized electronic temperature detector comprising an amplification and signal conditioning circuit, a circuit for analyzing the derivative of the signal versus time e d a self-diagnosis circuit functionally connected to a resistance type NTC or PT100 or to a solid state sensor, which can be activated following the occurrence of a temperature increase perceived by the probe and recognized on the basis of pre-defined parameters.

2. Improved apparatus according to claim 1, characterized in that the watertight container is a container having a degree of protection suitable for the intended use while the probe has a degree of protection IP685 corresponding to the maximum degree of protection for enclosures of this kind such as required by EN60529 standards, for example with diameter 18 mm and length 85 mm EEx-d verified for use in areas with danger of explosion.

3. Improved apparatus according to the preceding claims, characterized in that the apparatus according to the invention carries out the analysis of the variation of the ambient temperature based on two parameters: the first considers the absolute level of the ambient temperature fixed with two temperature levels ( for example 60 ° c and 80 ° c), after which the sensor generates an alarm directly regardless of the absolute temperature value, while the second parameter is the temperature increase speed expressed in degrees / minute (e.g. 10 ° C / min) after which the sensor directly generates an alarm regardless of the absolute temperature value.

4. Improved apparatus according to the preceding claims, characterized by the fact of providing a microprocessor specially prepared, to perform further functions, including: an addressing circuit, to allow the exact identification of the sensor in alarm or failure in the event that multiple sensors are used on a single circuit; the possibility for the operator to change the calibration parameters of both the temperature threshold levels for the alarm and pre-alarm conditions and the incremental value ° C / min; memorization of the maximum temperature level reached; storage of the date of the last verification operation and sensor calibration.

5. Improved apparatus according to the preceding claims, characterized in that it is powered in d.c. or c.a. from 9V to 30V, to provide analogue outputs at 4-20 mA or 0-20 mA, to be connectable to the central unit via two conductors to provide a measuring range from -30 ° to 100 ° and to be used with any control unit on the market.