RU2296370C2 - Infrared multirange flame and burst detector - Google Patents
Infrared multirange flame and burst detector Download PDFInfo
- Publication number
- RU2296370C2 RU2296370C2 RU2005116018/09A RU2005116018A RU2296370C2 RU 2296370 C2 RU2296370 C2 RU 2296370C2 RU 2005116018/09 A RU2005116018/09 A RU 2005116018/09A RU 2005116018 A RU2005116018 A RU 2005116018A RU 2296370 C2 RU2296370 C2 RU 2296370C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- optical
- flame
- detector
- channel
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к оптическим детекторам пламени и взрыва, преобразующим инфракрасное излучение от очагов пожара, открытого пламени или взрыва в электрический сигнал. Предназначено для применения в качестве устройств, инициирующих начало работы противопожарных систем, средств пожаротушения и взрывоподавления, а также для контроля наличия пламени.The invention relates to optical flame and explosion detectors that convert infrared radiation from a fire, open flame or explosion into an electrical signal. Designed for use as devices that initiate the start of fire systems, fire extinguishing and explosion suppression, as well as to control the presence of flame.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
В настоящее время используются два основополагающих принципа идентификации пламени, на которых основана аппаратура обнаружения пожара и взрыва большинства фирм. Это принципы частотной и спектральной селекции. При частотном принципе определяющий признак - наличие низкочастотных колебаний интенсивности излучения контролируемого источника. При спектральном принципе определяющий признак - наличие в спектре излучения контролируемого источника спектральных полос, характерных для продуктов горения (паров воды и углекислого газа).Currently, two fundamental principles of flame identification are used, on which the fire and explosion detection equipment of most companies is based. These are the principles of frequency and spectral selection. With the frequency principle, the defining feature is the presence of low-frequency fluctuations in the radiation intensity of a controlled source. In the spectral principle, the defining feature is the presence in the radiation spectrum of a controlled source of spectral bands characteristic of combustion products (water vapor and carbon dioxide).
Очевидно конструкции, схемы и функциональные возможности датчиков, их помехоустойчивость, надежность, быстродействие, потребительские качества, в основном, определяются характеристиками приемников инфракрасного излучения.Obviously, the designs, circuits, and functionality of the sensors, their noise immunity, reliability, speed, consumer qualities, are mainly determined by the characteristics of infrared radiation receivers.
Для частотного принципа обнаружения пламени применяют приемники излучения, способные фиксировать низкочастотные колебания пламени (от 2 до 20 Гц). Такими приемниками являются, например, пироприемники, фоторезисторы, фотодиоды или фотоэлектрические преобразователи.For the frequency principle of flame detection, radiation detectors are used that can detect low-frequency flame oscillations (from 2 to 20 Hz). Such receivers are, for example, pyrodetectors, photoresistors, photodiodes or photoelectric converters.
Для реализации принципа спектральной селекции обычно используют несколько спектрально селективных приемников, реагирующих на излучение в различных участках спектров пламени или взрыва, или используют один широкополосный приемник излучения, но тогда необходимые участки в спектре выделяют с помощью оптических фильтров. Иногда схемы спектральной селекции дополняют схемы частотной селекции. Наиболее интересные из современных детекторов пожара рассмотрены ниже.To implement the principle of spectral selection, several spectrally selective detectors that respond to radiation in different parts of the flame or explosion spectra are usually used, or one broadband radiation receiver is used, but then the necessary sections in the spectrum are isolated using optical filters. Sometimes spectral selection schemes complement frequency selection schemes. The most interesting of modern fire detectors are discussed below.
Известно техническое решение (патент US №5850182А, приоритет 15.12.1998 г, заявитель Detector Electronics Corporation,USA), где предложено использовать два приемника излучения. Область спектральной чувствительности первого совпадает со спектрами излучения пламени, а область спектральной чувствительности второго должна находиться вне рабочего спектрального диапазона первого приемника. При этом по первому и второму приемникам осуществляется частотный анализ низкочастотных сигналов от колеблющегося пламени и мерцающих оптических помех, сравниваются амплитуды, фазы и частоты колебаний, фиксируется наличие или отсутствие регулярных колебаний, оценивается их динамика во времени и делается заключение об истинности или ложности сигнала о пожаре. В качестве приемников излучения здесь применяются пироприемники с двумя различными интерференционными фильтрами. Этот патент используется при производства извещателей фирмы «Det-tronics», USA.A technical solution is known (US patent No. 5850182A, priority 15.12.1998, applicant Detector Electronics Corporation, USA), where it is proposed to use two radiation detectors. The region of spectral sensitivity of the first coincides with the emission spectra of the flame, and the region of spectral sensitivity of the second should be outside the working spectral range of the first receiver. In this case, the first and second receivers carry out a frequency analysis of low-frequency signals from an oscillating flame and flickering optical noise, compare the amplitudes, phases, and frequencies of oscillations, detect the presence or absence of regular oscillations, evaluate their dynamics over time and draw a conclusion about the truth or falsehood of the fire signal . Here, pyrodetectors with two different interference filters are used as radiation detectors. This patent is used in the manufacture of detectors from Det-tronics, USA.
Известны также решения, когда системы частотного анализа сигнала от колеблющегося пламени включают три канала с различными приемниками излучения и сложными алгоритмами их взаимной обработки - патент US №5804825 (приоритет 08.09.1998 г.) и заявка WO №9506927 (опубл. 09.03.1995). Основа этих решений - частотный анализ сигналов в каждом канале, приемники - пироприемники.Solutions are also known when systems for the frequency analysis of a signal from an oscillating flame include three channels with different radiation detectors and complex algorithms for their mutual processing - US patent No. 5804825 (priority 08.09.1998) and application WO No. 9506927 (publ. 09.03.1995) . The basis of these decisions is the frequency analysis of signals in each channel, the receivers are pyrodetectors.
Простейший вариант извещателя на основе спектральной селекции - выбор для приемника излучения узкого диапазона спектральной чувствительности, точно совпадающего со спектром излучения пламени. Как правило, максимум излучения пламени - на длине волны 4,4 мкм, что соответствует «свечению» продукта горения - углекислого газа. Однако такой датчик недостаточно чувствителен и надежен, поскольку не учитывает других возможных спектров излучения пламени и фоновых оптических помех.The simplest version of a detector based on spectral selection is the choice for a radiation receiver of a narrow range of spectral sensitivity that exactly matches the spectrum of the radiation of the flame. As a rule, the maximum radiation of the flame is at a wavelength of 4.4 microns, which corresponds to the "glow" of the combustion product - carbon dioxide. However, such a sensor is not sensitive enough and reliable, since it does not take into account other possible spectra of flame radiation and background optical noise.
Патент UK №2281615 (А1) (опубл. 03.09.93) предлагает более сложную комбинацию приемников излучения: наряду с рабочим каналом, настроенным на излучение пламени на 4,4 мкм, введен дополнительный канал на 3,8 мкм, настроенный на излучение посторонних нагретых тел (оптический фон). Сигналы каналов сравниваются. Приемники излучения - пироприемники.UK patent No. 2281615 (A1) (publ. 03.09.93) offers a more complex combination of radiation detectors: along with the working channel tuned to emit flame at 4.4 microns, an additional channel at 3.8 micron tuned to emit foreign heated tel (optical background). Channel signals are compared. Radiation receivers are pyrodetectors.
В патенте US №4101767 (опубл. 18.07. 1978 г.) для обнаружения пламени использован спектральный канал с длиной волны 4,4 мкм, а для выделения оптических помех - участки спектра с максимумами чувствительности на волнах 0,76 мкм и 0,96 мкм. Приемники излучения - также пироприемники.In US patent No. 4101767 (publ. July 18, 1978), a spectral channel with a wavelength of 4.4 μm was used to detect flame, and sections of the spectrum with sensitivity maxima at 0.76 μm and 0.96 μm were used to isolate optical interference . Radiation receivers are also pyrodetectors.
Отметим, что использование для обнаружения и идентификации пламени только диапазона с максимумом излучения на 4,4 мкм не всегда является достаточным, так как в этом спектральном диапазоне сосредоточено не более 1% энергии, излучаемой очагами пожара, а значит, возникают серьезные трудности с обеспечением необходимой дальности обнаружения очага пожара.It should be noted that the use of only the range with a maximum radiation of 4.4 μm for detection and identification of flame is not always sufficient, since no more than 1% of the energy emitted by the fires is concentrated in this spectral range, which means that serious difficulties arise in providing the necessary range of detection of the fire source.
Патент US 6064064 (опубл. 16.05.2000) решает проблему «коптящего пламени» - пламени с большим содержанием дымов, например тление. Детектор содержит три приемника излучения: два из них регистрируют излучение от оптических помех в спектральном диапазоне от 0,4 мкм до 0,7 мкм и от 0,7 до 1,1 мкм, а третий, широкополосный, работает в диапазоне 1,1-3,5 мкм и реагирует на излучение пламени. В качестве широкополосного приемника ИК излучения применен фоторезистор из сернистого свинца, с длинноволновой границей чувствительности 3,5 мкм. Для спектральных диапазонов 0,4-0,7 мкм и 0,7-1,1 мкм использованы фотодиоды на основе кремния, настроенные на оптические помехи в видимой и ближней ИК области спектра. Недостаток предложенного решения - ограниченность спектрального диапазона основного канала 3,5 мкм. Это затрудняет идентификацию бездымных очагов пламени. Кроме того, в возможный спектр оптических помех часто включаются помехи, связанные с излучением от нагретых до сравнительно высоких температур посторонних тел, спектральная область излучения которых перекрывается со спектральным диапазоном широкополосного приемника излучения. Это дает ложный сигнал.US patent 6064064 (publ. 16.05.2000) solves the problem of "smoky flame" - a flame with a high content of fumes, such as decay. The detector contains three radiation detectors: two of them detect radiation from optical noise in the spectral range from 0.4 μm to 0.7 μm and from 0.7 to 1.1 μm, and the third, broadband, operates in the range 1.1– 3.5 microns and responds to flame radiation. As a broadband IR radiation detector, a lead sulfide photoresistor with a long-wavelength sensitivity limit of 3.5 μm was used. For the spectral ranges of 0.4-0.7 μm and 0.7-1.1 μm, silicon-based photodiodes are used, tuned to optical noise in the visible and near infrared spectral regions. The disadvantage of the proposed solution is the limited spectral range of the main channel of 3.5 microns. This makes it difficult to identify smokeless flames. In addition, interference associated with radiation from heated to relatively high temperatures of foreign bodies whose spectral region of radiation overlaps with the spectral range of a broadband radiation receiver is often included in the possible spectrum of optical interference. This gives a false signal.
Известно предложение формировать необходимые спектральные характеристики чувствительности приемника излучения за счет изменения состава полупроводникового материала. Этим приемник приспосабливается к ожидаемым типам пламени, а сам технологический процесс изготовления фотоприемников рассматривается как составная часть процесса изготовления датчика в целом («Mercury cadmium telluride devices for detecting and controlling open flames»). В патенте US 005920071 (опубл. 06.07.1999) в качестве полупроводникового материала фоторезистора применен КРТ (кадмий-ртуть-теллур). При замещении в составе материала кадмия на ртуть в пределах от 10 до 90 мол.% процентов формируются четыре спектральных диапазона чувствительности с соответствующими им площадками фоточувствительных элементов. Это диапазоны от 3 до 4 мкм, от 4 до 5 мкм, от 5 до 6,7 мкм и от 6,7 до 20 мкм. Такой подход к конструированию датчиков весьма привлекателен. Однако материал КРТ - один из самых нетехнологичных и дорогих из промышленных типов полупроводниковых материалов. Дополнительные сложности возникают из-за того, что многодиапазонность (одновременный прием фоторезистором нескольких спектральных полос) в данном случае решается путем многослойности структуры оптических фильтров, что исключает возможность точной фиксации спектральных диапазонов чувствительности оптических фильтров. Кроме того, предложенный приемник излучения - фоторезистор, для своей работы он требует наличия пульсаций интенсивности излучения пламени, которые сложно отделить от мерцающих оптических помех.A proposal is known to form the necessary spectral characteristics of the sensitivity of the radiation receiver by changing the composition of the semiconductor material. This adapts the receiver to the expected types of flame, and the process for manufacturing photodetectors is considered as part of the manufacturing process of the sensor as a whole (“Mercury cadmium telluride devices for detecting and controlling open flames”). In the patent US 005920071 (publ. 06/07/1999) as a semiconductor material of the photoresistor used SRT (cadmium-mercury-tellurium). When cadmium is replaced with mercury in the composition from 10 to 90 mol%, four spectral ranges of sensitivity are formed with the corresponding areas of photosensitive elements. These are ranges from 3 to 4 microns, from 4 to 5 microns, from 5 to 6.7 microns and from 6.7 to 20 microns. This approach to the design of sensors is very attractive. However, the CMT material is one of the most low-tech and expensive of industrial types of semiconductor materials. Additional difficulties arise due to the fact that multibandness (simultaneous reception of several spectral bands by a photoresistor) in this case is solved by multilayering the structure of optical filters, which excludes the possibility of accurately fixing the spectral sensitivity ranges of optical filters. In addition, the proposed radiation receiver is a photoresistor; for its operation, it requires pulsations of the intensity of flame radiation, which are difficult to separate from flickering optical noise.
Известен двухканальный цифровой многочастотный детектор пламени, в котором в качестве приемников излучения как пламени, так и оптических помех использованы фоторезисторы из селенида свинца (Patent US 6150659, опубл. 21.07.2000). В этом датчике одновременно осуществляется идентификация пламени по частотным характеристикам источников излучения. В качестве спектрального диапазона канала регистрации пламени выбран диапазон от 4,2 до 4,8 мкм, а для канала регистрации оптических помех выбран диапазон от 2,0 до 2,4 мкм. Поскольку приемники - фоторезисторы, они для своей работы требуют наличия пульсаций интенсивности пламени, для выделения которых на фоне одновременно действующих мерцающих помех существенно усложнена электронная схема обработки сигналов каналов. Кроме того, отсутствие в спектре чувствительности участка от 2,6 до 3,2 мкм исключило возможность регистрации горения веществ, не содержащих углерод. Наконец, при выборе для канала оптических помех диапазона 2,0-2,4 мкм появилась угроза принятия «коптящего пламени» за оптическую помеху.A two-channel digital multi-frequency flame detector is known, in which photoconductors made of lead selenide are used as radiation detectors of both flame and optical noise (Patent US 6150659, publ. 21.07.2000). In this sensor, the flame is simultaneously identified by the frequency characteristics of the radiation sources. A range from 4.2 to 4.8 μm is selected as the spectral range of the flame registration channel, and a range from 2.0 to 2.4 μm is selected for the optical interference recording channel. Since the receivers are photoresistors, they require pulsations of the flame intensity for their operation, to distinguish them against the background of simultaneously operating flickering interference, the electronic circuit of the processing of channel signals is substantially complicated. In addition, the absence in the sensitivity spectrum of the region from 2.6 to 3.2 μm excluded the possibility of recording the combustion of substances not containing carbon. Finally, when choosing a channel for optical noise in the range of 2.0-2.4 μm, there was a threat of accepting a “smoky flame” for optical interference.
Известен детектор пламени с наиболее полно примененным методом спектральной селекции («Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system», патент США №5612676, опубл. 18.03.1997). Это инфракрасный многодиапазонный детектор пламени и взрыва, основной канал которого составлен из двух фоточувствительных элементов с узкополосными оптическими фильтрами, при этом спектральная характеристика чувствительности канала сформирована указанными фильтрами и соответствует характерным спектрам излучения пламени и взрыва, а вспомогательный канал составлен из трех фоточувствительных элементов, однородных элементам основного канала, с узкополосными оптическими фильтрами, при этом спектральная характеристика чувствительности канала сформирована указанными фильтрами и соответствует характерным спектрам излучения оптических помех, содержащий схему выделения низкочастотных колебаний излучений и схему логического сравнения выходных сигналов указанных каналов и их низкочастотных колебаний с формированием сигнала о пламени, причем в качестве фотоэлектрических элементов предложены термочувствительные элементы, пироприемники, фоторезисторы из селенида свинца, фотоэлектрические элементы кадмий-теллур, индий-антимонид, германий с ведением золота. В этом двухканальном датчике основной канал имеет два спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,9 мкм и 4,4 мкм, а вспомогательный (фоновый) канал - три спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,2 мкм, 3,8 мкм и 5,6 мкм. Основной канал реагирует преимущественно на пламя, а вспомогательный - преимущественно на оптические помехи. Сравнение сигналов каналов позволяет достаточно уверенно выявить наличие в поле зрения датчика очага пламени. Для обоих каналов выбирают пару однотипных приемников излучения, обладающих чувствительностью в спектральном диапазоне 1,5 - 6,5 мкм. Указанные выше спектральные полосы формируют с помощью узкополосных интерференционных фильтров. Таким образом, одновременно осуществляют спектральный анализ попадающего на детектор внешнего излучения в пяти спектральных диапазонах. Но и в этом датчике, также, как и в предыдущих, не удалось полностью отказаться от принципа частотной селекции и избежать вытекающих из него неприятных последствий. Другая трудность связана с тем, что фоторезисторы, рекомендуемые к использованию, должны охлаждаться жидким азотом. Естественно, что это делает конструкцию датчика громоздкой, сложной, дорогой, ограниченной в сроках непрерывной работы. Использование в качестве приемников излучения термопарных батарей или пироприемников резко снижает быстродействие системы, уменьшает ее чувствительность. В этом случае невозможен режим взрывоподавления. Кроме того, жесткое задание каждого из спектральных рабочих диапазонов каналов не позволяет эффективно адаптировать предлагаемый детектор к разнообразию возможных типов очагов пламени и помех. Так, при выборе максимума чувствительности на 2,2 мкм для одного из спектральных диапазонов вспомогательного канала могут возникнуть сложности в определении наличия очагов пламени, где основным излучающим объектом являются частицы углерода, нагретые до температуры в 1500-2000°С (пожар с коптящим пламенем), а этот вариант пожара на практике встречается чаще остальных. Наконец, по-видимому, из-за перечисленных выше причин не известны конкретные типы датчиков и фирмы, которые использовали бы в своей работе эти изобретения. Тем не менее, именно ЭТО РЕШЕНИЕ - НАИБОЛЕЕ БЛИЗКИЙ АНАЛОГ ЗАЯВЛЯЕМОГО ДЕТЕКТОРА ПЛАМЕНИ И ВЗРЫВА, Т.Е. ЕГО ПРОТОТИП.Known flame detector with the most fully applied method of spectral selection ("Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system", US patent No. 5612676, publ. March 18, 1997). This is an infrared multi-band flame and explosion detector, the main channel of which is composed of two photosensitive elements with narrow-band optical filters, while the spectral characteristic of the channel sensitivity is formed by these filters and corresponds to the characteristic emission spectra of the flame and explosion, and the auxiliary channel is composed of three photosensitive elements homogeneous to the elements main channel, with narrow-band optical filters, while the spectral characteristic is sensitive The channel channel is formed by the indicated filters and corresponds to the characteristic emission spectra of optical interference, which contains a circuit for isolating low-frequency oscillations of radiation and a logic comparison circuit for the output signals of these channels and their low-frequency oscillations with the formation of a flame signal, and thermosensitive elements, pyrodetectors, and photoresistors from lead selenide, cadmium-tellurium photovoltaic cells, indium antimonide, gold-controlled germanium. In this two-channel sensor, the main channel has two spectral ranges with maximums of sensitivity at 2.9 microns and 4.4 microns, and the auxiliary (background) channel has three spectral ranges with maximums of sensitivity at 2.2 microns, 3.8 microns and 5, 6 microns. The main channel reacts mainly to the flame, and the auxiliary channel mainly to optical interference. A comparison of the channel signals makes it possible to fairly reliably detect the presence of a flame source sensor in the field of view. For both channels, a pair of the same type of radiation detectors is selected, having a sensitivity in the spectral range of 1.5 - 6.5 microns. The above spectral bands are formed using narrow-band interference filters. Thus, spectral analysis of the external radiation incident on the detector in five spectral ranges is simultaneously carried out. But in this sensor, as well as in the previous ones, it was not possible to completely abandon the principle of frequency selection and avoid the unpleasant consequences arising from it. Another difficulty is that the photoresistors recommended for use must be cooled with liquid nitrogen. Naturally, this makes the sensor design cumbersome, complex, expensive, limited in terms of continuous operation. The use of thermocouple batteries or pyrodetectors as radiation detectors dramatically reduces the speed of the system and reduces its sensitivity. In this case, the mode of explosion suppression is not possible. In addition, the rigid assignment of each of the spectral working ranges of the channels does not allow you to effectively adapt the proposed detector to the variety of possible types of foci of flame and interference. So, when choosing a maximum sensitivity of 2.2 μm for one of the spectral ranges of the auxiliary channel, it may be difficult to determine the presence of foci of flame, where the main emitting object is carbon particles heated to a temperature of 1500-2000 ° C (fire with a smoking flame) , and this variant of fire is more common in practice than others. Finally, apparently, due to the above reasons, specific types of sensors and companies that would use these inventions in their work are not known. Nevertheless, it is THIS SOLUTION - THE MOST CLOSE ANALOGUE OF THE DECLARED FLAME AND EXPLOSION DETECTOR, i.e. HIS PROTOTYPE.
Нельзя обойти вниманием еще один тип оптоэлектронного прибора, принципы построения и функционирования которого могут быть использованы для создания датчиков пламени и взрыва. Это матричные преобразователи, которые являются предметом массового исследования важного практического применения для создания на их основе солнечных батарей. Особое место среди них занимают каскадные преобразователи, в которых фотоэлектрические элементы создаются на основе полупроводниковых материалов различного состава (обзор таких работ приводится в монографии Т.Коутса и Дж.Микина «Современные проблемы полупроводниковой фотоэнергетики». Москва, Мир, 1988 г.). В одном из вариантов солнечных преобразователей в качестве полупроводниковых материалов для фотоэлектрических элементов, работающих в видимой области спектра, использованы твердые растворы арсенид галлия - фосфор и арсенид галлия - сурьма. При формировании панелей из таких последовательно соединенных элементов существенно расширяется суммарная область спектральной чувствительности преобразователя и, как следствие, увеличивается КПД солнечной батареи. Однако при конструировании датчиков пламени увеличение КПД преобразования не является определяющим фактором. Важно, чтобы сформированные области спектральной чувствительности фотоэлектрических элементов матричного преобразователя соответствовали характерным спектрам излучения очагов пламени и оптических помех. Известные матричные преобразователи не применимы для использования в детекторах пламени без существенного изменения областей их спектральной чувствительности, схем коммутации и формирования выходного сигнала.One can not ignore another type of optoelectronic device, the principles of construction and functioning of which can be used to create flame and explosion sensors. These are matrix converters, which are the subject of mass research of an important practical application for creating solar batteries on their basis. A special place among them is occupied by cascade converters in which photovoltaic cells are created on the basis of semiconductor materials of various compositions (a review of such works is given in the monograph by T. Coates and J. Mikin “Modern Problems of Semiconductor Photovoltaics”, Moscow, Mir, 1988). In one embodiment of solar converters, solid solutions of gallium arsenide - phosphorus and gallium arsenide - antimony are used as semiconductor materials for photovoltaic cells operating in the visible spectrum. When forming panels from such series-connected elements, the total spectral sensitivity region of the converter significantly expands and, as a result, the efficiency of the solar battery increases. However, when designing flame sensors, an increase in conversion efficiency is not a determining factor. It is important that the formed spectral sensitivity regions of the photoelectric elements of the matrix converter correspond to the characteristic emission spectra of the flame sources and optical noise. Known matrix converters are not applicable for use in flame detectors without a significant change in the areas of their spectral sensitivity, switching circuits and the formation of the output signal.
Приведенный обзор свидетельствует о том, что известные, рассмотренные выше детекторы не полностью удовлетворяют современным требованиям практики.The above review indicates that the well-known detectors considered above do not fully meet current practice requirements.
Недостаточная надежность. Основные трудности известных решений обусловлены тем, что в качестве, по крайней мере, одного из идентифицирующих принципов пламени принимается принцип частотной селекции. Частота колебаний пламени зависит от размеров очага пожара и при достижении определенных площадей частота колебаний становится меньше 0,1 Гц. Амплитуда нерегулярных колебаний ложного источника (например, отражение солнечных лучей от поверхности морских волн) может многократно превосходить сигнал от пламени. Нагретые вращающиеся движущиеся объекты могут излучать в «мерцающем» режиме и в спектральном диапазоне, совпадающем со спектральным диапазоном пламени. Ясно, что такой способ идентификации не является достаточно надежным. Более того, низкочастотные колебания интенсивности пламени вообще на практике присутствуют далеко не всегда. В частности, при горении газовых горелок в паровых котлах, металлургических печах, в бытовых приборах для обеспечения максимального КПД добиваются максимально стабильного факела. В этом случае контроль наличия пламени с использованием частотного принципа невозможен. По этой же причине трудно обнаружить тлеющие очаги пожара.Lack of reliability. The main difficulties of the known solutions are due to the fact that the principle of frequency selection is adopted as at least one of the identifying principles of the flame. The frequency of vibration of the flame depends on the size of the fire and when certain areas are reached, the frequency of vibration becomes less than 0.1 Hz. The amplitude of irregular oscillations of a false source (for example, the reflection of sunlight from the surface of sea waves) can be many times greater than the signal from a flame. Heated rotating moving objects can emit in the "flickering" mode and in the spectral range that coincides with the spectral range of the flame. It is clear that this identification method is not reliable enough. Moreover, low-frequency fluctuations in flame intensity are generally not always present in practice. In particular, when burning gas burners in steam boilers, metallurgical furnaces, in household appliances, to ensure maximum efficiency, they achieve the most stable flame. In this case, the control of the flame using the frequency principle is not possible. For the same reason, it is difficult to detect smoldering fires.
Недостаточное быстродействие. Применяемые (описанные) детекторы не могут применяться для подавления взрывов. Все детекторы пламени, использующие в качестве приемника излучения пироприемники, обнаруживают пламя за время до 20 секунд. Специальные режимы настройки этих датчиков позволяют снизить время срабатывания до 25-30 мс, но ценой резкого снижения чувствительности и помехозащищенности. Как известно, скорость распространения огневого фронта, например, при дефлаграционном взрыве достигает 1500 м/с и при такой скорости срабатывания в зоне воздействия взрыва окажутся уже тысячи квадратных метров.Inadequate performance. The detectors used (described) cannot be used to suppress explosions. All flame detectors using pyrodetectors as radiation detectors detect flames in up to 20 seconds. Special settings of these sensors allow reducing the response time to 25-30 ms, but at the cost of a sharp decrease in sensitivity and noise immunity. As you know, the velocity of propagation of a fire front, for example, during a deflagration explosion, reaches 1500 m / s, and at such a speed of operation, thousands of square meters will already be in the zone of the explosion.
Узкие функциональные возможности. Проведенный анализ промышленной продукции, производимой по рассмотренным выше патентам или их аналогам, показал, что производство большинства из них имеет узкую специализацию и ориентировано на одно из каких-либо возможных практических применений, эксклюзивно по своей конструкции, функциональным и эксплуатационным характеристикам, а потому ограничено в масштабах производства.Narrow functionality. The analysis of industrial products manufactured according to the patents or their analogues considered above showed that the production of most of them has a narrow specialization and is focused on one of any possible practical applications, exclusively in its design, functional and operational characteristics, and therefore it is limited in scale of production.
Все сказанное выше заставляет обратить серьезное внимание на другой принцип идентификации - на принцип спектральной селекции в варианте, не связанном с необходимостью дополнения его принципом частотной селекции. Однако для реализации этого варианта требуется комплектовать датчики специальными приемниками излучения, которые для своей работы не требуют модуляции интенсивности излучения. Тогда оказывается возможным избежать недостатков, являющихся следствием применения частотного принципа. Одновременно необходимо решить проблему многофункциональности датчиков, адекватности их характеристик разнообразным условиям применения, а также обеспечить возможность их массового производства при обеспечении высоких параметрических характеристик и высокой надежности.All of the above makes us pay serious attention to another principle of identification - the principle of spectral selection in a variant that is not related to the need to supplement it with the principle of frequency selection. However, to implement this option, it is necessary to equip the sensors with special radiation detectors, which for their operation do not require modulation of the radiation intensity. Then it turns out to be possible to avoid the disadvantages resulting from the application of the frequency principle. At the same time, it is necessary to solve the problem of the multifunctionality of the sensors, the adequacy of their characteristics to various application conditions, and also to ensure the possibility of their mass production while ensuring high parametric characteristics and high reliability.
ЗАДАЧИ ИЗОБРЕТЕНИЯOBJECTS OF THE INVENTION
Задачи изобретения:Objectives of the invention:
- повышение надежности (достоверности срабатывания, помехоустойчивости, взрывобезопасности, возможность проверки работоспособности контрольными имитаторами пламени, спектр излучения которых адекватен источникам пожара);- increase in reliability (reliability of operation, noise immunity, explosion safety, the ability to test performance by control flame simulators, the emission spectrum of which is adequate to fire sources);
- расширение функциональных возможностей (обнаружение неколеблющегося пламени, пламени газовых факелов, тления древесины и хлопка, очагов пожара большой площади, быстродействие - возможность реагирования на первичные фазы взрывного процесса);- expansion of functionality (detection of non-oscillating flame, flame of gas flames, decay of wood and cotton, large fire areas, speed - the ability to respond to the primary phases of the explosive process);
- универсальность (возможность адаптации спектральных характеристик детектора к ожидаемому виду возгорания и вероятным видам оптических помех);- universality (the ability to adapt the spectral characteristics of the detector to the expected type of ignition and the likely types of optical interference);
- увеличение чувствительности по отношению к очагам пожара, образующимся при горении древесины, полимерных материалов и горюче-смазочных материалов;- an increase in sensitivity with respect to the fire sources resulting from the burning of wood, polymeric materials and fuels and lubricants;
- удешевление и возможность массового изготовления и использования.- cheaper and the possibility of mass production and use.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ (РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ИЗОБРЕТЕНИЯ).SUMMARY OF THE INVENTION (SUMMARY OF THE INVENTION)
Для решения поставленных задач авторы провели глубокие исследования и разработали новый, не применявшийся для детекторов пламени фотоэлектрический полупроводниковый элемент на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6, например селенида свинца, и соединений группы А2В6, например селенида кадмия. Предложенный элемент является фотогенератором, т.е. непосредственно преобразует излучение от очагов пожара и первичных фаз взрыва в фото ЭДС, не требует для своей работы внешних источников электропитания и низкочастотных колебаний пламени. Применение такого фотоэлектрического элемента позволило повысить чувствительность датчика, его надежность, уменьшило энергопотребление, расширило функциональные возможности.To solve these problems, the authors conducted in-depth studies and developed a new photoelectric semiconductor element, not used for flame detectors, based on solid solutions of chemical compounds of the A4B6 group, for example lead selenide, and compounds of the A2B6 group, for example cadmium selenide. The proposed element is a photo generator, i.e. directly converts the radiation from the fire sources and the primary phases of the explosion into a photo emf; it does not require external power sources and low-frequency flame oscillations for its operation. The use of such a photoelectric element made it possible to increase the sensitivity of the sensor, its reliability, reduced power consumption, and expanded functionality.
Исследования предложенного фотоэлектрического элемента выявили его наиболее технологичную, недорогую и удобную для датчиков форму - в виде тонких поликристаллических слоев, в которых потенциальный барьер, определяющий появление фото ЭДС, сформирован в виде МОП структуры, а также установили зависимость положения максимума и длинноволновой границы спектральной чувствительности от концентрации селенида кадмия в твердом растворе селенида свинца и селенида кадмия. Все это позволило существенно упростить формирование спектральных характеристик оптических каналов извещателя и логических схем обработки сигналов.Studies of the proposed photovoltaic element revealed its most technologically advanced, inexpensive, and sensor-friendly form — in the form of thin polycrystalline layers in which the potential barrier that determines the appearance of photo emf is formed in the form of a MOS structure, and also established the dependence of the position of the maximum and the long-wavelength boundary of spectral sensitivity on concentration of cadmium selenide in a solid solution of lead selenide and cadmium selenide. All this made it possible to significantly simplify the formation of the spectral characteristics of the detector's optical channels and signal processing logic circuits.
Для оптимизации состава фотоэлектрических элементов и режимов работы детекторов определены характерные спектры шести основных типов очагов пожара (в соответствии с ГОСТ Р 50808-96) - Таблица 1 и наиболее вероятных типов оптических помех - Таблица 2. С учетом этих знаний и появившихся технологических возможностей рассмотрены варианты формирования спектральных характеристик чувствительности основного и вспомогательного каналов детекторов с использованием предложенных фотоэлектрических элементов, адекватных ожидаемым типам очагов пожара и оптических помех, т.е. имеющих в заданных условиях эксплуатации наибольшую чувствительность и помехозащищенность.To optimize the composition of the photovoltaic elements and the operating modes of the detectors, the characteristic spectra of six main types of fire sources were determined (in accordance with GOST R 50808-96) - Table 1 and the most likely types of optical interference - Table 2. Considering this knowledge and emerging technological capabilities, the options are considered the formation of spectral characteristics of the sensitivity of the main and auxiliary channels of the detectors using the proposed photovoltaic elements adequate to the expected types of fire sources and optical interference, i.e. having in the given operating conditions the greatest sensitivity and noise immunity.
В дополнение к этому на основе предложенных фотоэлектрических элементов, оптических фильтров и не применявшихся ранее схем логической обработки сигналов разработан новый матричный многоспектральный (многодиапазонный) полупроводниковый преобразователь, который явился основным функциональным элементом детектора. В результате произведенных исследований:In addition to this, on the basis of the proposed photovoltaic cells, optical filters, and previously not applied logic processing circuits, a new matrix multispectral (multiband) semiconductor converter was developed, which was the main functional element of the detector. As a result of the research:
Поставленные задачи решены тем, что для повышения надежности, быстродействия, взрывобезопасности, а также упрощения, снижения габаритов, энергоемкости, стоимости в известный многодиапазонный инфракрасный детектор пламени и взрыва, основной оптический канал которого составлен из одного или нескольких фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует характерным спектрам излучения пламени и взрыва, а вспомогательный оптический канал составлен из одного или нескольких фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует характерным спектрам излучения оптических помех, содержащий схему логического сравнения выходных сигналов указанных каналов с формированием сигнала о пожаре, внесены существенные изменения и дополнения:The tasks are solved in that in order to increase reliability, speed, explosion safety, as well as simplify, reduce dimensions, energy consumption, cost in a well-known multi-band infrared flame and explosion detector, the main optical channel of which is composed of one or more photoelectric elements with optical filters, spectral characteristic the sensitivity of which corresponds to the characteristic emission spectra of the flame and explosion, and the auxiliary optical channel is composed of one or several There are significant changes and additions to the number of photovoltaic cells with optical filters, the spectral sensitivity characteristic of which corresponds to the characteristic emission spectra of optical noise, which contains a logical comparison of the output signals of these channels with the formation of a fire signal:
- фотоэлектрические элементы выполнены из полупроводникового материала на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6 и группы А4В6, например из селенида свинца и селенида кадмия.- photovoltaic cells are made of a semiconductor material based on solid solutions of chemical compounds of group A4B6 and group A4B6, for example, lead selenide and cadmium selenide.
Для повышения надежности, технологичности и снижения стоимости детектора твердые растворы химических соединений группы А4В6 и А2В6, используемые для фотоэлектрических элементов, применены в виде тонких поликристаллических слоев, в которых потенциальный барьер, определяющий появление фото ЭДС, сформирован в виде планарного р-n перехода, барьера Шоттки или МОП-структуры.To increase the reliability, manufacturability and lower cost of the detector, solid solutions of chemical compounds of the A4B6 and A2B6 groups used for photovoltaic cells are used in the form of thin polycrystalline layers in which the potential barrier that determines the appearance of photo emf is formed as a planar pn junction, a barrier Schottky or MOS structures.
Для обеспечения соответствия спектральных диапазонов чувствительности фотоэлектрических элементов детектора спектрам излучения различных типов очагов пожара концентрация химических соединений группы А2В6 в твердом растворе А4В6-А2В6 задается значением, лежащем в пределах от 0,1 до 20 моль %, при этом коротковолновая граница их спектральной чувствительности определяется коротковолновой границей пропускания установленных перед ними оптических фильтров.To ensure that the spectral sensitivity ranges of the detector photoelectric elements correspond to the radiation spectra of various types of fires, the concentration of chemical compounds of the A2B6 group in the A4B6-A2B6 solid solution is set to a value ranging from 0.1 to 20 mol%, and the short-wavelength limit of their spectral sensitivity is determined by the short-wavelength the transmission limit of the optical filters installed in front of them.
Для повышения надежности и упрощения конструкции детектора выходные напряжения основного и вспомогательного каналов сформированы за счет последовательного электрического соединения фотоэлектрических элементов в каждом канале и соответствующего суммирования фото ЭДС, вырабатываемых этими элементами, а схема логического сравнения выполнена в виде схемы вычитания выходных напряжений каналов, при этом критерием сигнала от очага пожара или взрыва является превышение напряжения основного канала над напряжением вспомогательного канала.To increase the reliability and simplify the design of the detector, the output voltages of the main and auxiliary channels are formed due to the serial electrical connection of the photoelectric elements in each channel and the corresponding summation of the photo emf generated by these elements, and the logical comparison circuit is made in the form of a circuit for subtracting the output voltages of the channels, with this criterion signal from the source of a fire or explosion is the excess voltage of the main channel over the voltage of the auxiliary channel but.
Для уменьшения габаритов, снижения цены и повышения надежности детектора основной и вспомогательный каналы, а также схема сравнения могут быть сформированы на базе единого инфракрасного полупроводникового многодиапазонного матричного преобразователя, составленного из фотоэлектрических элементов с установленными перед ними оптическими фильтрами, причем концентрацией материала А2В6 в твердом растворе А2В6-А4В6, например, селенида кадмия в твердом растворе селенида свинца и селенида кадмия, и полосой пропускания оптического фильтра фотоэлектрических элементов в основном канале сформирована спектральная характеристика чувствительности, соответствующая характерному спектру излучения очага пожара и взрыва, а в вспомогательном канале - спектральная характеристика чувствительности, соответствующая характерному спектру излучения оптической помехи.To reduce the dimensions, reduce the price and increase the reliability of the detector, the main and auxiliary channels, as well as a comparison circuit, can be formed on the basis of a single infrared semiconductor multi-band array transducer composed of photoelectric elements with optical filters installed in front of them, with the concentration of A2B6 material in A2B6 solid solution -A4B6, for example, cadmium selenide in a solid solution of lead selenide and cadmium selenide, and the pass band of the optical filter phot Of the electric elements in the main channel, a spectral sensitivity characteristic is formed corresponding to the characteristic radiation spectrum of the fire and explosion, and in the auxiliary channel, a spectral sensitivity characteristic corresponding to the characteristic optical radiation spectrum.
Для упрощения конструкции детектора, расширения его функциональных возможностей и удешевления производства матрица преобразователя может содержать две панели элементов. Первая, основная панель, соответствует основному оптическому каналу датчика и образована фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одного или нескольких типов очагов пожара и взрыва, а вторая, вспомогательная панель, соответствует вспомогательному оптическому каналу датчика и образована фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральная характеристика чувствительности которых соответствует преимущественно характерным спектрам излучения одной или нескольких оптических помех, например спектру излучения солнца, искусственных источников света, электросварки, отопительных батарей и нагревательных приборов.To simplify the design of the detector, expand its functionality and reduce the cost of production, the transducer matrix may contain two panels of elements. The first, the main panel, corresponds to the main optical channel of the sensor and is formed by photoelectric elements with filters, the sensitivity spectral characteristics of which correspond mainly to the characteristic emission spectra of one or more types of fire and explosion centers, and the second, auxiliary panel, corresponds to the auxiliary optical channel of the sensor and is formed by photoelectric elements with filters, the spectral sensitivity characteristic of which corresponds mainly arakternym emission spectra of one or more optical noise such as spectrum radiation from the sun or artificial light sources, electric welding, radiator and heater.
Для повышения технологичности и надежности и уменьшения габаритов детектора схема логического сравнения может быть выполнена в виде внутреннего последовательного электрического соединения фотоэлектрических элементов каждой панели, обеспечивающего суммирование их фото ЭДС, и последующего электрического соединения панелей, обеспечивающего вычитание суммарных фото ЭДС основной и вспомогательной панелей, осуществляя таким образом сравнение сигналов основного и вспомогательного каналов.To increase manufacturability and reliability and reduce the dimensions of the detector, a logical comparison scheme can be made in the form of an internal serial electrical connection of the photovoltaic elements of each panel, providing a sum of their photo EMF, and subsequent electrical connection of the panels, which subtracts the total photo EMF of the main and auxiliary panels, thereby way comparison of the signals of the main and auxiliary channels.
Для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно древесины, полимерных материалов, горюче-смазочных материалов и легковоспламеняющихся жидкостей с выделением дыма, фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 1,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,9 мкм.In order to detect fires resulting from the combustion of mainly wood, polymeric materials, fuels and lubricants and flammable liquids with smoke, the photoelectric elements of the main channel of the detector can be made with a concentration of cadmium selenide in solid solution of 20 ± 3 mol% and with a short-wavelength transmission limit optical filter 1.6 microns. In this case, the maximum sensitivity is 2.9 μm.
Для обнаружения очагов пожара, образующихся при горении преимущественно легковоспламеняющихся жидкостей без выделения дыма, использованы два типа фотоэлектрических элементов в основном канале детектора, один из которых выполнен с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль % и коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 4,2 мкм, а второй выполнен с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 10±1,0 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 2,6 мкм. При этом максимумы чувствительности находятся соответственно у 4,4 мкм и 2,9 мкм.Two types of photoelectric elements in the main channel of the detector were used to detect fires resulting from the combustion of predominantly flammable liquids without smoke, one of which was made with a cadmium selenide concentration in the solid solution of 0.1 ± 0.02 mol% and a short-wavelength optical transmission limit filter 4.2 microns, and the second is made with a concentration of cadmium selenide in solid solution of 10 ± 1.0 mol% and with a short-wavelength transmission limit of the optical filter of 2.6 microns. In this case, sensitivity maxima are found at 4.4 μm and 2.9 μm, respectively.
Для обнаружения очагов пожара типа преимущественно тления древесины и хлопка фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 3,2 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 3,8 мкм.To detect fires of the type primarily predominantly smoldering wood and cotton, the photoelectric elements of the main channel of the detector can be made with a concentration of cadmium selenide in a solid solution of 0.1 ± 0.02 mol% and with a short-wavelength optical filter pass-through of 3.2 μm. In this case, the maximum sensitivity is 3.8 μm.
Для обнаружения очагов пожара типа горения преимущественно химических веществ, не содержащих углерод, фотоэлектрические элементы основного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 10±2 моль % и с коротковолновой границей пропускания оптического фильтра 2,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,9 мкм.To detect fires of the type of combustion, mainly of carbon-free chemicals, the photoelectric elements of the main channel of the detector can be made with a cadmium selenide concentration in the solid solution of 10 ± 2 mol% and with a short-wavelength optical filter pass-through of 2.6 μm. In this case, the maximum sensitivity is 2.9 μm.
Для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,6-2,6 мкм, например от электрических ламп накаливания, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3,0 моль % и полосой пропускания оптического фильтра от 1,6 мкм до 2,6 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 2,3 мкм.To detect optical interference with a radiation spectrum located mainly in the wavelength range 1.6-2.6 μm, for example from incandescent lamps, the photoelectric elements of the auxiliary channel of the detector can be made with a cadmium selenide concentration in the solid solution of 20 ± 3.0 mol % and an optical filter passband of 1.6 μm to 2.6 μm. In this case, the maximum sensitivity is 2.3 microns.
Для обнаружения оптических помех со спэктром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 3,2-4,2 мкм, например от отопительных батарей и нагревательных приборов, от электрических ламп накаливания, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 0,1±0,02 моль %, и коротковолновой границей пропускания оптического фильтра у 3,2 мкм. При этом максимум спектральной чувствительности находится у 3,8 мкм.To detect optical interference with a radiation spectrum located mainly in the wavelength range 3.2–4.2 μm, for example, from heating batteries and heating devices, from electric incandescent lamps, the photoelectric elements of the auxiliary channel of the detector can be made with a concentration of cadmium selenide in solid a solution of 0.1 ± 0.02 mol%, and a short-wavelength optical filter passband of 3.2 μm. In this case, the maximum spectral sensitivity is at 3.8 μm.
Для обнаружения оптических помех со спектром излучения, расположенным преимущественно в интервале длин волн 1,0 мкм - 1,4 мкм, например от солнца, искусственных источников света, электросварки, фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора могут быть выполнены с концентрацией селенида кадмия в твердом растворе 20±3,0 моль %, и полосой пропускания оптического фильтра от 1,4 мкм до 1,0 мкм. При этом максимум чувствительности находится у 1,2 мкм.To detect optical interference with a radiation spectrum located mainly in the wavelength range 1.0 μm - 1.4 μm, for example from the sun, artificial light sources, electric welding, the photoelectric elements of the auxiliary channel of the detector can be performed with a concentration of cadmium selenide in
Для повышения надежности и достоверности работы детектора в его конструкцию может быть дополнительно введен контрольный (тестирующий) фотолюминесцентный излучатель, размещенный перед входным окном датчика. Спектр излучения контрольного излучателя согласован со спектрами излучения пламени и взрыва, для обнаружения которых предназначен датчик. Излучающий элемент, так же как и фотоэлектрические элементы, изготовлен из полупроводникового материала на основе твердого раствора селенида свинца и селенида кадмия, а источником первичного коротковолнового излучения является, например, светодиод из арсенида галлия.To increase the reliability and reliability of the detector, a control (testing) photoluminescent emitter placed in front of the sensor input window can be additionally introduced into its design. The emission spectrum of the control emitter is consistent with the emission spectra of the flame and explosion, for the detection of which the sensor is intended. The radiating element, like the photoelectric elements, is made of a semiconductor material based on a solid solution of lead selenide and cadmium selenide, and the source of the short-wave radiation is, for example, a gallium arsenide LED.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ.SUMMARY OF THE INVENTION.
Сущность изобретения поясняют приведенные ниже 5 таблиц и 6 фигур:The invention is illustrated in the following 5 tables and 6 figures:
таблица 1 - Характерные спектры излучения основных типов очагов пожара (по ГОСТ Р 50808-96);table 1 - Characteristic emission spectra of the main types of fires (according to GOST R 50808-96);
таблица 2 - Характерные спектры излучения основных типов оптических помех;table 2 - Typical emission spectra of the main types of optical interference;
таблица 3 - Примеры комбинаций фотоэлектрических элементов с фильтрами, обеспечивающих адекватную реакцию детектора в зависимости от типа очага пожара;table 3 - Examples of combinations of photovoltaic cells with filters, providing an adequate detector response, depending on the type of fire
таблица 4 - Рекомендуемые виды спектров излучения контрольного излучателя в зависимости от типа пламени, для обнаружения которого предназначен детектор;table 4 - Recommended types of emission spectra of the control emitter, depending on the type of flame, for the detection of which the detector is intended;
таблица 5 - Сравнение характеристик предлагаемых детекторов и зарубежных аналогов;table 5 - Comparison of the characteristics of the proposed detectors and foreign analogues;
фиг.1 - зависимость относительной спектральной характеристики чувствительности (ОСЧХ) предложенного фотоэлектрического элемента от концентрации селенида кадмия в твердом растворе;figure 1 - dependence of the relative spectral sensitivity characteristic (UHF) of the proposed photovoltaic element on the concentration of cadmium selenide in solid solution;
фиг.2 - относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСЧХ) базовых фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами;figure 2 - the relative spectral characteristics of the sensitivity (UHF) of the basic photovoltaic cells with optical filters;
фиг.3 - пример расположения фотоэлектрических элементов в матричном преобразователе детектора;figure 3 is an example of the location of the photovoltaic cells in the matrix Converter of the detector;
фиг.4 - пример построения детектора;figure 4 is an example of a detector;
фиг.5 - пример конструкции контрольного излучателя детектора;5 is an example of the design of the control emitter of the detector;
фиг.6 - относительные спектры излучения контрольного излучателя (ОСИКИ) детектора в зависимости от концентрации селенида кадмия.6 - relative radiation spectra of the control emitter (OSIKI) of the detector depending on the concentration of cadmium selenide.
На фигурах приняты следующие обозначения:The following notation is used in the figures:
1, 2 - фотоэлектрические элементы основного канала детектора, 3, 4 - фотоэлектрические элементы вспомогательного канала детектора, 5 - контактные площадки для внутренней коммутации фотоэлектрических элементов, 6 - контактные площадки для внутренней коммутации каналов детектора, 7 - контактные площадки - торцы внешних выводов, 8 - держатель с ячейками для фотоэлектрических элементов и оптических фильтров, 9 - корпус матричного преобразователя, 10 - коммутационная плата, 11 - коммутационные провода, 12-15 - оптические фильтры, 16 - входное окно детектора, 17 - внешние выводы преобразователя детектора, 18 - колпачок, 19 - корпус контрольного излучателя детектора, 20 - светодиод для накачки, 21 - фотолюминесцентный слой, 22 - крышка контрольного излучателя детектора, 23 - выходное окно контрольного излучателя, 24 - внешние выводы излучателя, 25 - контактные площадки, 26 - контактные проводники.1, 2 - photoelectric elements of the main channel of the detector, 3, 4 - photoelectric elements of the auxiliary channel of the detector, 5 - contact pads for internal switching of photoelectric elements, 6 - contact pads for internal switching of the detector channels, 7 - contact pads - ends of external terminals, 8 - holder with cells for photovoltaic cells and optical filters, 9 - matrix converter housing, 10 - patch board, 11 - patch wires, 12-15 - optical filters, 16 - detector input window, 17 - external leads of the detector transducer, 18 - cap, 19 - case of the control emitter of the detector, 20 - LED for pumping, 21 - photoluminescent layer, 22 - cover of the control emitter of the detector, 23 - output window of the control emitter, 24 - external conclusions of the emitter, 25 - contact pads, 26 - contact conductors.
Изготовить фотоэлектрические элементы из полупроводниковых материалов на основе твердых растворов химических соединений группы А4В6, например селенида свинца, и группы А2В6, например селенида кадмия, а также контрольные фотолюминесцентные излучатели того же типа можно с применением типовых технологических приемов, принятых в микроэлектронике. Это - вакуумное нанесение на диэлектрическую подложку поликристаллических пленок из полупроводниковых материалов, традиционные методы легирования при синтезе материала или легирование сформированных поликристаллических слоев из паровой или жидкостной фаз при получении р-n переходов, нанесение металлических слоев при получении МОП-структур, групповые методы изготовления фотоэлектрических элементов, их сборка, герметизация и измерение параметров. В частности, синтез твердых растворов материалов группы А2В6 и А4В6 осуществляется методом сплавления чистых исходных элементов в вакууме в замкнутом объеме при предварительной очистке исходного материала методом зонной плавки. Более подробно эта технология изложена, например, в патенте Горбунова Н.И., Дийкова Л.К., Варфоломеева С.П., и др. «Фотолюминесцентный излучатель, полупроводниковый фотоэлемент и октрон на их основе» (патент №37575, приоритет от 05,02,2004), в статьях Горбунова НИ., Дийкова Л.К. и др.. «Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры» (журнал «Компоненты и технологии» №6, 2004 г.) и Горбунова Н.И., Дийкова Л.K. и др. «Новые оптоэлектронные датчики пламени» (журнал «Электроника» №2, 2005 г.).It is possible to produce photovoltaic cells from semiconductor materials based on solid solutions of chemical compounds of the A4B6 group, for example lead selenide, and the A2B6 group, for example cadmium selenide, as well as control photoluminescent emitters of the same type using typical technological methods adopted in microelectronics. This is vacuum deposition of polycrystalline films from semiconductor materials onto a dielectric substrate, traditional methods of doping in the synthesis of a material, or doping of formed polycrystalline layers from vapor or liquid phases when producing pn junctions, applying metal layers to obtain MOS structures, group methods for manufacturing photoelectric elements , their assembly, sealing and measurement of parameters. In particular, the synthesis of solid solutions of materials of the A2B6 and A4B6 groups is carried out by fusing the pure starting elements in a vacuum in a closed volume during preliminary purification of the starting material by zone melting. This technology is described in more detail, for example, in the patent of Gorbunov N.I., Diykova L.K., Varfolomeeva S.P., and others. "Photoluminescent emitter, semiconductor photocell and octron based on them" (patent No. 37575, priority from 05.02.2004), in the articles of Gorbunov NI., Diykova L.K. et al. "New octrons for spectral-analytical equipment" (the journal "Components and Technologies" No. 6, 2004) and Gorbunova NI, Diykova L.K. and others. "New optoelectronic flame sensors" (journal "Electronics" No. 2, 2005).
Концентрации вводимых в селенид свинца добавок можно контролировать методом эмиссионного спектрального анализа, электронного спектрального химического анализа и вторично-ионной масс-спектрометрии, а содержание основных компонентов - селена и свинца - методом рентгенфлуоресцентного анализа. Заявленные пределы концентраций вводимых, например, в полупроводниковый материал селенида кадмия обусловлены следующими факторами: при концентрации селенида кадмия меньше, чем 0,1 моль % изменение ширины запрещенной зоны полупроводникового материала незначительно и незначительно изменение положения длины волны максимума спектральной чувствительности. Из-за ограничения растворимости селенида кадмия в селениде свинца со стороны селенида свинца введение добавки, превышающей 20 моль %, является нецелесообразным, поскольку при таких концентрациях уже не образуются твердые растворы этих соединений.The concentrations of the additives introduced into lead selenide can be controlled by the method of emission spectral analysis, electronic spectral chemical analysis, and secondary ion mass spectrometry, and the content of the main components, selenium and lead, by the method of X-ray fluorescence analysis. The stated concentration limits introduced, for example, into the semiconductor material of cadmium selenide are due to the following factors: when the concentration of cadmium selenide is less than 0.1 mol%, the change in the band gap of the semiconductor material is insignificant and insignificant changes in the position of the wavelength of the maximum spectral sensitivity. Due to the limitation of the solubility of cadmium selenide in lead selenide from the side of lead selenide, the introduction of an additive in excess of 20 mol% is impractical, since at such concentrations no solid solutions of these compounds are formed.
При этом количество затрачиваемого материала, его малая стоимость, возможность использования групповых технологий, принятых в микроэлектронике, их простота и высокий процент выхода годных изделий позволило организовать высокоэффективное и малозатратное серийное производство фотоэлектрических элементов для многодиапазонных преобразователей детекторов из материалов на основе твердых растворов селенида свинца и селенида кадмия. Кроме того, простота обработки сигналов фото ЭДС, достигаемая за счет внутренней коммутация таких фотоэлектрических элементов, упрощает электронную схему обработки и процесс настройки детектора. Все перечисленное выше позволяет также организовать массовое производство дешевых детекторов пламени с высокими техническими и эксплуатационными характеристиками, которые могут конкурировать по масштабам применения с детекторами дыма и тепла. Обеспечению высокой надежности также способствует применение фотоэлектрического элемента, для работы которого не требуется напряжение питания - основного источника и причины деградации свойств фотоэлементов.At the same time, the amount of material spent, its low cost, the possibility of using group technologies adopted in microelectronics, their simplicity and high yield rate of products made it possible to organize a highly efficient and low-cost serial production of photovoltaic cells for multi-range transducers of detectors from materials based on solid solutions of lead and selenide selenide cadmium. In addition, the simplicity of processing EMF photo signals, achieved through internal switching of such photovoltaic cells, simplifies the electronic processing circuit and the detector tuning process. All of the above also allows you to organize the mass production of cheap flame detectors with high technical and operational characteristics, which can compete in scale with smoke and heat detectors. The use of a photovoltaic cell, which does not require a supply voltage — the main source and cause the degradation of the properties of photocells — also contributes to high reliability.
Пример конструкции основных функциональных элементов детектора представлен на фиг.3, 4, 5. На подобную конструкцию в целом заявитель имеет патент «Извещатель пожарный пламени многодиапазонный» (патент РФ №53744 с приоритетом от 18.06.2002 г., заявитель ОАО НИИ «Гириконд», авторы Л.К.Дийков, А.Л.Буркин и др.)An example of the design of the main functional elements of the detector is presented in Figs. 3, 4, 5. For such a design, the applicant has a patent “Multi-range fire flame detector” (patent of the Russian Federation No. 53744 with priority dated June 18, 2002, applicant of the Research Institute “Girikond” , authors L.K.Diykov, A.L. Burkin, etc.)
Фотоэлектрические элементы основного (1, 2) и вспомогательного (3, 4) каналов закреплены в держателях 8 с ячейками для установки указанных фотоэлектрических элементов и оптических фильтров 12-15 на коммутационной плате 10, размещенной в корпусе детектора 10. На коммутационной плате 10 нанесены металлизированные контактные площадки 5, 6, 7 для внутренней коммутации проводами 11 фотоэлектрических элементов каналов, каналов и внешних выводов соответственно. Корпус имеет входное окно 16. Внутренняя коммутация фотоэлектрических элементов каналов, каналов и внешних выводов осуществлена приваркой коммутационных проводов 11 к заранее выбранным контактным площадкам 5-7 на коммутационной плате 10. Возможен и такой конструктивный вариант, когда функцию контактных площадок 5-7 выполняют торцы внешних выводов корпуса 9 по числу, равному числу контактных площадок. В этом случае коммутация фотоэлектрических элементов 1-4 может осуществляться и вне корпуса детектора. Фотоэлектрические элементы 1 и 2 образуют основную панель матрицы детектора, а фотоэлектрические элементы 3 и 4 образуют вспомогательную панель. Основная и вспомогательная панель электрически соединены проводом 11.The photovoltaic elements of the main (1, 2) and auxiliary (3, 4) channels are fixed in holders 8 with cells for installing the indicated photovoltaic elements and optical filters 12-15 on the
Вид сверху на размещение фотоэлектрических элементов 1-4 на коммутационной плате 10 представлен на фиг.3. Они образуют четырехэлементную матрицу и расставлены по квадрату в ячейках держателя 8, установленного на коммутационной плате 10. Контактные площадки 7, являющиеся торцами выходных выводов 17, с помощью контактных проводов 11 электрически соединены с панелями матрицы детектора через контактные площадки 6. Выходные выводы 17 электрически соединены с электронными элементами, расположенными на печатной плате датчика. Возможна установка световой индикации о том, что детектор включен, о режиме «пожар» и о неисправности детектора.A top view of the placement of the photovoltaic cells 1-4 on the
Электрические сигналы основного и вспомогательного каналов в детекторе формируются несколькими соединенными последовательно фотоэлектрическими элементами с фильтрами, спектральные характеристики чувствительности которых соответствуют характерным спектрами ожидаемых типов пламени и оптических помех. Превышение сигнала основного канала (основной панели) над сигналом от вспомогательного канала свидетельствует о наличии очага пожара.The electrical signals of the main and auxiliary channels in the detector are formed by several series-connected photoelectric elements with filters, the spectral sensitivity characteristics of which correspond to the characteristic spectra of the expected types of flame and optical interference. The excess of the signal of the main channel (main panel) over the signal from the auxiliary channel indicates the presence of a fire.
Заявитель выявил зависимость длины волны максимума спектральной чувствительности фотоэлектрического элемента от концентрации селенида кадмия в твердом растворе (фиг.1) и использовал ее для формирования спектральной характеристики элементов детектора. При этом коротковолновые границы их спектральной чувствительности определяются коротковолновыми границами пропускания установленных перед фотоэлектрическими элементами оптических фильтров.The applicant revealed the dependence of the wavelength of the maximum spectral sensitivity of the photoelectric element on the concentration of cadmium selenide in the solid solution (Fig. 1) and used it to form the spectral characteristics of the detector elements. In this case, the short-wavelength boundaries of their spectral sensitivity are determined by the short-wavelength transmission limits of the optical filters installed in front of the photoelectric elements.
В зависимости от условий эксплуатации детектора его оптические каналы могут формироваться из одного, двух, трех фотоэлектрических элементов с оптическими фильтрами. При необходимости увеличения чувствительности на каком-либо из выделенных участков спектра возможно последовательное соединение одинаковых фотоэлектрических элементов с одинаковой ОСХЧ.Depending on the operating conditions of the detector, its optical channels can be formed from one, two, or three photoelectric elements with optical filters. If it is necessary to increase the sensitivity in any of the selected parts of the spectrum, it is possible to series-connect the same photovoltaic cells with the same CXF.
Характерные спектры пламени и помех представлены в таблицах 1 и 2.Typical flame and interference spectra are presented in tables 1 and 2.
взрывTP-6
explosion
3,8 мкм4.4 μm
3.8 μm
3,8 мкм4.4 μm
3.8 μm
2,9 мкм4.4 μm
2.9 μm
Заявитель разработал шесть базовых фотоэлектрических элементов с фильтрами, комбинацией которых можно охватить наиболее востребованные случаи применения детекторов пожара на фоне типичных оптических помех. На фиг.2 приведены их относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСЧХ). В таблице 3 даны комбинации последовательных соединений базовых фотоэлектрических элементов с фильтрами в основном и вспомогательное каналах, соответственно, обеспечивающих адекватную реакцию детектора на пламя или взрыв при наличии оптических помех.The applicant has developed six basic photovoltaic cells with filters, a combination of which can cover the most popular cases of fire detectors against typical optical interference. Figure 2 shows their relative spectral characteristics of sensitivity (UHF). Table 3 shows the combinations of series connections of the basic photovoltaic cells with filters in the main and auxiliary channels, respectively, providing an adequate response of the detector to a flame or explosion in the presence of optical interference.
Примеры комбинаций фотоэлектрических элементов с фильтрами, обеспечивающих адекватную реакцию детектора в зависимости от типа очага пожара.Table 3
Examples of combinations of photovoltaic cells with filters that provide an adequate detector response depending on the type of fire source.
Характерные горюче-смазочные материалы (ГСМ), горящие с выделением дыма (ТП-5): дизельное топливо и бензины, топливо для реактивных двигателей, трансформаторное масло и рабочие масла компрессоров и насосов.Typical fuels and lubricants (fuels and lubricants) burning with smoke (TP-5): diesel fuel and gasoline, jet engine fuel, transformer oil and compressor and pump working oils.
Характерные виды легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), горящих без выделения дыма (ТП-6): метан, этан, пропан, бутан, спирты - метанолы, этанолы, пропанолы, ацетон.Typical types of flammable liquids (LVH) burning without smoke (TP-6): methane, ethane, propane, butane, alcohols - methanol, ethanol, propanol, acetone.
Характерные легковоспламеняющиеся вещества (ЛВЖ), не содержащие углерода: водород, аммиак, гидразины, азид натрия и другие, у которых излучающим продуктом горения являются пары воды.Typical flammable substances (LVH) that do not contain carbon: hydrogen, ammonia, hydrazines, sodium azide and others, in which water vapor is the emitting combustion product.
Ниже приведены часто используемые варианты выбора и коммутации базовых фотоэлектрических элементов 1-4 с оптическими фильтрами 12-15 для получения заданной ОСЧХ. При этом базовые элементы каждого канала (панели) с учетом знака фото ЭДС соединены последовательно, а каналы (панели) - встречно. Для обнаружения горения горюче-смазочных материалов, без выделения дыма, например метана, этана, пропана, бутана, спиртов, при наличии в поле зрения детектора высокотемпературных объектов, излучения солнца и ламп накаливания (очаг пожара типа ТП-6): базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №1 и с ОСЧХ №3, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №4 и с ОСЧХ №6.Below are frequently used options for the selection and switching of basic photovoltaic cells 1-4 with optical filters 12-15 to obtain a given frequency response. In this case, the basic elements of each channel (panel), taking into account the sign of the photo EMF, are connected in series, and the channels (panels) are in opposite directions. To detect the burning of fuels and lubricants, without the emission of smoke, for example methane, ethane, propane, butane, alcohols, in the presence of high-temperature objects in the field of view, radiation from the sun and incandescent lamps (fire center type TP-6): basic elements for the main channel - elements with a
Для обнаружения горения древесины, полимерных соединений и горюче-смазочных материалов с выделением дыма при наличии в поле зрения детектора нагретых тел большой площади и излучения солнца (очаги пожаров вида ТП-1, ТП-4.ТП): базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №2 и с ОСЧХ №2, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №4 и с ОСЧХ №6.To detect the burning of wood, polymer compounds and fuels and lubricants with smoke emission in the presence of a large-area heated bodies detector and solar radiation in the field of view (fire sources of the type TP-1, TP-4. TP): basic elements for the main channel are elements with SINR No. 2 and with SINR No. 2, for the auxiliary channel - elements with SINR No. 4 and with SINR No. 6.
Для обнаружения очага пожара типа ТП-2 и ТП-3 (например, тление древесины и хлопка) при наличии в поле зрения детектора электрических ламп накаливания и излучения от электросварки: базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №1 и с ОСЧХ №4, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №5 и с ОСЧХ №6.To detect a fire source of the TP-2 and TP-3 type (for example, wood and cotton smoldering) when there are electric incandescent and radiation lamps in the field of view of the detector: the basic elements for the main channel are elements with a
Для обнаружения очага пожара, в котором горючие вещества не содержат углерода, а в поле зрения детектора может попадать излучение от солнца и ламп накаливания: базовые элементы для основного канала - элементы с ОСЧХ №3 и с ОСЧХ №3, для вспомогательного канала - элементы с ОСЧХ №5 и с ОСЧХ №6To detect a fire source in which combustible substances do not contain carbon, and radiation from the sun and incandescent lamps can get into the field of view of the detector: the basic elements for the main channel are elements with SINR No. 3 and SINS No. 3, for the auxiliary channel - elements with OSHKh No. 5 and with OSHKh No. 6
Заметим, что увеличение концентрации селенида кадмия, вводимого в полупроводниковый материал, позволяет не только управлять положением длинноволновой границы в спектральной характеристике фотоэлектрических элементов и положением спектров излучения контрольных излучателей, но и существенным образом способствует увеличению, соответственно, их чувствительности и излучательной способности, что видно из фиг.1 и фиг.6.Note that an increase in the concentration of cadmium selenide introduced into the semiconductor material allows not only to control the position of the long-wavelength boundary in the spectral characteristics of the photoelectric elements and the position of the emission spectra of the control emitters, but also significantly increases their sensitivity and emissivity, respectively, as can be seen from figure 1 and figure 6.
Детектор работает следующим образом (фиг.3, 4).The detector operates as follows (Fig.3, 4).
Излучение от очагов пламени, взрыва и от оптических помех, находящихся в поле зрения детектора, через входное окно 16 преобразователя детектора попадает на группу фотоэлектрических элементов 1-4, размещенных в держателе 8 с ячейками, при этом перед фотоэлектрическими элементами установлены оптические фильтры 12-15. Внешнее излучение не может попасть в каждую ячейку иначе, как только пройдя через соответствующий ей оптический фильтр. При этом каждый фотоэлектрический элемент 1-4 генерирует фото ЭДС, величина которой пропорциональна мощности излучения внешнего оптического сигнала и на прием которого настроен данный фотоэлектрический элемент с фильтром. По предварительной заявке потребителя детекторы изготавливаются для обнаружения предполагаемых типов очагов пожара и ожидаемых оптических помех. С учетом этого, как мы описали выше, осуществлен выбор фотоэлектрических элементов 1-4, фильтров 12-15 и осуществлена коммутация их с использованием контактных площадок 5-7 и коммутационных проводов 11. Электрические сигналы (фото ЭДС) от фотоэлектрических элементов 1,2 основного канала (основной панели) суммируются и суммарное значение фото ЭДС будет пропорциональным интенсивности излучения от очага пожара или взрыва. В свою очередь электрические сигналы (фото ЭДС) от фотоэлектрических элементов 3 и 4 вспомогательного канала (вспомогательной панели) суммируются и суммарное значение фото ЭДС будет пропорциональным интенсивности излучения от оптических помех. Суммарные сигналы от основного и вспомогательного каналов с использованием контактных площадок 6 и коммутационного провода 11 вычитаются за счет их встречной коммутации. В результате на контактных площадках 7 и внешних выводах 17 датчика образуется электрический сигнал, который подается для последующего усиления и включения контрольных, сигнальных или исполнительных устройств. Если сигнал основного канала больше сигнала вспомогательного канала - детектор срабатывает. Он обнаруживает очаг пожара как на фоне оптических помех, так и при их отсутствии. Когда сигнал основного канала меньше вспомогательного - детектор не срабатывает. Значит нет пламени или оно невелико по сравнению с оптическим фоном.Radiation from foci of flame, explosion, and from optical interference in the field of view of the detector, through the input window 16 of the detector transducer, falls on the group of photovoltaic cells 1-4 placed in the holder 8 with cells, while optical filters 12-15 are installed in front of the photovoltaic elements . External radiation cannot get into each cell except once passing through the corresponding optical filter. Moreover, each photoelectric element 1-4 generates a photo-emf, the value of which is proportional to the radiation power of the external optical signal and the reception of which this photoelectric element with a filter is configured. According to the preliminary application of the consumer, the detectors are made to detect the alleged types of fires and the expected optical interference. With this in mind, as we described above, the selection of photovoltaic cells 1-4, filters 12-15 and their switching using pads 5-7 and switching wires 11. Electrical signals (photo EMF) from
На фиг.5 приведен пример конструкции контрольного излучателя, который выполнен следующим образом: к корпусу 19 с помощью теплопроводящего клея приклеен коротковолновый излучающий элемент - светодиод 20 для «накачки». Контактные площадки 25 светодиода 20 посредством проводников 26 соединены с электрическими вводами 24. На излучающую поверхность светодиода 20 прозрачным для излучения клеем приклеен длинноволновый излучающий элемент - фотолюминесцентный слой 21. На корпус 19 с приклеенными к нему излучающими элементами 20 и 21 одета крышка 22 с окном 23 из материала, прозрачного в спектральном диапазоне 1-4,8 мкм.Figure 5 shows an example of the design of the control emitter, which is made as follows: a short-wave radiating element -
Для максимального приближения спектров излучения контрольного излучателя к спектральным характеристикам возможных источников пламени в качестве излучателя применен фотолюминесцентный излучатель 21 на основе твердого раствора селенида свинца и селенида кадмия, возбуждаемый светодиодом 20 из арсенида галлия, т.е. излучатель выполнен на основе тех же полупроводниковых материалов, что и фотоэлектрические элементы датчика.To maximize the approximation of the emission spectra of the control emitter to the spectral characteristics of possible flame sources, a
Выходное окно 23 контрольного излучателя расположено перед входным окном 16 детектора и излучает в спектральном диапазоне, согласованном со спектральной характеристикой чувствительности фотоэлектрических элементов основного канала, реагирующих преимущественно на излучение очага пожара. Таким образом, реализуется имитатор пламени с оптическими характеристиками, максимально приближенными к ожидаемому виду возгорания. Одновременно осуществляется проверка загрязнения входного окна детектора и работоспособность электронной схемы.The
Контрольный излучатель работает следующим образом. При подаче через электрические вводы 24, проводники 26 на контактные площадки 25 постоянного или импульсного напряжения величиной 2-2,5 В светодиод 20 начинает излучать в спектральном диапазоне 0,8-0,9 мкм. Это излучение попадает на фотолюминесцентный слой 21 из полупроводникового материала на основе твердых растворов селенида свинца - кадмия и возбуждает излучение в спектральном диапазоне, совпадающем с областями спектральной чувствительности фотоэлектрических элементов и спектрами излучения пламени. При последующем попадании этого излучения на входное окно 16 детектора и фотоэлектрические элементы 1,2 основного канала осуществляется проверка его работоспособности.The control emitter operates as follows. When applied through
Спектр излучения контрольного излучателя детектора может быть изменен путем изменения концентрации селенида кадмия в твердом растворе (фиг.6), что используется в датчиках, настроенных на обнаружение определенных типов очагов пожара.The emission spectrum of the control emitter of the detector can be changed by changing the concentration of cadmium selenide in the solid solution (Fig.6), which is used in sensors configured to detect certain types of fires.
В таблице 4 приведены рекомендуемые относительные спектры излучения контрольного излучателя в зависимости от типа очага пожара, для обнаружения которого предназначен детектор. Номера рекомендаций соответствуют фиг.6. Технология изготовления и характеристики контрольного излучателя аналогичны приведенным в патенте РФ №37575 (приоритет от 05.02.2004) или в статье Горбунова Н.И., Дийкова Л.К., Варфоломеева С.П., Медведева Ф.К. «Новые октроны для спектрально-аналитической аппаратуры» (журнал «Компоненты и технологии», №6 2004 г.).Table 4 shows the recommended relative radiation spectra of the control emitter, depending on the type of fire source for which the detector is intended to be detected. The numbers of recommendations correspond to Fig.6. The manufacturing technology and characteristics of the control emitter are similar to those given in the patent of the Russian Federation No. 37575 (priority from 02/05/2004) or in the article by Gorbunov NI, Diykova LK, Varfolomeeva SP, Medvedeva F.K. “New octrons for spectral-analytical equipment” (“Components and Technologies” journal, No. 6 of 2004).
ПРОМЫШЛЕННАЯ ПРИМЕНИМОСТЬINDUSTRIAL APPLICABILITY
Заявленные инфракрасные многодиапазонные детекторы пламени и взрыва детально исследованы заявителем в лабораторных условиях и освоены им в серийном производстве. В ОАО «НИИ «Гириконд» впервые в отечественной и зарубежной практике для детекторов пожара было реализовано техническое решение, когда приемный оптический блок, обнаруживающий инфракрасное излучение от очагов пожара и оптических помех, и электронный блок первичной обработки сигналов, обрабатывающий электрические сигналы от приемного оптического блока и выдающий сигнал о пожаре, выполнены в едином малоразмерном матричном инфракрасном многодиапазонном двухпанельном неохлаждаемом преобразователе, в котором в качестве фотоэлектрических элементов использованы тонкопленочные поликристаллические МОП-структуры на основе твердых растворов группы А2В6 и А2В4, и когда изготовление таких фотоэлектрических элементов и преобразователей явилось одним из элементов технологии производства детектора в целом.The claimed infrared multi-range flame and explosion detectors are investigated in detail by the applicant in laboratory conditions and mastered by him in serial production. For the first time in domestic and foreign practice, OJSC “Research Institute“ Girikond ”implemented a technical solution for fire detectors when a receiving optical unit detecting infrared radiation from fires and optical noise, and an electronic signal processing unit that processes electrical signals from the receiving optical unit and emitting a fire signal, are made in a single small-sized matrix infrared multi-band two-panel uncooled converter, in which as a photoelectric of their elements, thin-film polycrystalline MOS structures based on solid solutions of the A2B6 and A2B4 group were used, and when the manufacture of such photovoltaic cells and converters was one of the elements of the detector production technology as a whole.
Алгоритм процесса разработки детектора для конкретного объекта обеспечения пожаро-взрывобезопасности предусматривает: анализ возможности возникновения пожара или взрыва в охраняемом объекте, прогнозирование наиболее вероятных видов очагов пожара или взрыва, выявление площадей на территории защищаемого объекта, подлежащих защите от возможного возникновения взрыва или пожара, разработка проекта системы обеспечения пожаро-взрывобезопасности объекта, изготовление детекторов с характеристиками, обеспечивающими их адаптацию к возможным реальным угрозам пожара или взрыва на защищаемом объекте.The algorithm of the detector development process for a specific fire and explosion safety facility provides for: analysis of the possibility of a fire or explosion in a guarded object, prediction of the most likely types of fire or explosion outbreaks, identification of areas on the territory of the protected facility that are subject to protection from a possible explosion or fire, project development fire and explosion safety systems for the facility, manufacture of detectors with characteristics that ensure their adaptation to possible real threats of fire or explosion at the protected facility.
Именно такая схема действует на предприятии ОАО «НИИ «Гириконд». Освоенное производство детекторов обеспечивает в настоящее время годовой объем выпуска, превышающий 10000 шт. В частности, это детекторы типа «НАБАТ» (ИП-332 1/1, ИП-332 1/2 СК, ИП-332 1/3). При их разработке и производстве в полной мере использован спектральный метод идентификации, что стало возможным благодаря использованию фотоэлектрических элементов, изготовленных на основе твердых растворов материалов группы А2В6 и А2В4, в едином малоразмерном матричном инфракрасном многодиапазонном двухпанельном неохлаждаемом преобразователе. При этом удалось решить целый ряд технических проблем, преодоление которых до последнего времени было затруднено или невозможно.This is exactly the scheme that operates at the enterprise of the Research Institute “Girikond”. The mastered production of detectors currently provides annual output in excess of 10,000 pcs. In particular, these are NABAT type detectors (IP-332 1/1, IP-332 1/2 SK, IP-332 1/3). During their development and production, the spectral identification method was fully used, which became possible thanks to the use of photovoltaic cells made on the basis of solid solutions of materials of the A2B6 and A2B4 groups in a single small-sized matrix infrared multi-band two-panel uncooled converter. At the same time, it was possible to solve a number of technical problems, the overcoming of which until recently was difficult or impossible.
Главной проблемой рассматриваемого технического направления является разнообразие требований, постоянно возникающих со стороны потребителя, которому нужны дешевые малогабаритные надежные датчики, полностью адаптированные к конкретным условиям эксплуатации, и которые следует применять не только на стратегически важных объектах, но и всюду, где возможно появление очагов пожара и имеется вероятность взрыва. В то же время вопросы оптимальной адаптации обычно решаются путем создания многочисленных вариантов конструкций и типов детекторов со специфическими и жестко определенными параметрами. Если учесть, что у большинства из них энергопотребление доходит до 10-15 Вт, масса до 6,5 кг, а стоимость до 2000 долларов, то становится ясным, что их массовое использование является невозможным.The main problem of the considered technical direction is the variety of requirements that constantly arise from the consumer who needs cheap small-sized reliable sensors that are fully adapted to specific operating conditions, and which should be used not only at strategically important facilities, but also wherever fires and there is a chance of an explosion. At the same time, questions of optimal adaptation are usually solved by creating numerous design options and types of detectors with specific and well-defined parameters. Given that most of them have energy consumption of up to 10-15 watts, weight up to 6.5 kg, and cost up to 2000 dollars, it becomes clear that their mass use is impossible.
В таблице 5 приведено сравнение параметров заявленных и зарубежных детекторов пожара, получивших наибольшее распространение на отечественном и зарубежных рынках.Table 5 shows a comparison of the parameters of declared and foreign fire detectors, which are most widely used in domestic and foreign markets.
Сравнение характеристик предлагаемых и зарубежных детекторов пожараTable 5
Comparison of the characteristics of the proposed and foreign fire detectors
IR3 20/201
IR 3
ИКALARM
IR
Принцип идентификацииSpectral range, microns
Identification principle
колебание пламени0.18-0.24
flame swing
колебание пламени4.2-4.7
flame swing
4,45
колебание пламени0.18-0.24
4.45
flame swing
4,2-4,7
колебание пламени4.4
4.2-4.7
flame swing
колебание пламени4.0-5.0
flame swing
Быстродействие, мсExplosion suppression
Speed, ms
30Limited
thirty
30Limited
thirty
30Limited
thirty
(125)-40 ÷ + 75
(125)
(125)-40 ÷ + 75
(125)
125)-40 ÷ + 75
125)
(100)-20 ÷ + 75
(one hundred)
(100)-40 ÷ + 75
(one hundred)
(90)-60 ÷ + 80
(90)
ВО1E xd IIBT6
IN
ВО1E xd IIBT6
IN
ВО1E xd IIB + H 2 T6
IN
Н2Т6
ВО1E xd IIB +
H 2 T6
IN
ИЦ 1Е xib IIСТ6
IC
Из таблицы 5 следует - заявленные детекторы по большинству характеристик (надежность габариты, чувствительность, быстродействие, помехоустойчивость, энергопотребление, диапазон температур) превосходят известные. К тому же заявленные детекторы обладают гораздо большей вариативностью по формированию заданных спектральных характеристик чувствительности фотоэлектрических элементов, а значит, в большей мере приспособлены к разнообразию условий их применения.From table 5 it follows that the claimed detectors in most characteristics (reliability dimensions, sensitivity, speed, noise immunity, power consumption, temperature range) are superior to known ones. In addition, the claimed detectors have much greater variability in the formation of specified spectral characteristics of the sensitivity of photovoltaic cells, which means that they are more adapted to the variety of conditions for their use.
Некоторые из их модификаций в настоящее время успешно используются на десятках предприятий России и СНГ.Some of their modifications are currently successfully used at dozens of enterprises in Russia and the CIS.
Таким образом, по нашему мнению, заявленный детектор соответствует всем требованиям, предъявляемым к изобретению - он нов, неочевиден и промышленно применим.Thus, in our opinion, the claimed detector meets all the requirements for the invention - it is new, non-obvious and industrially applicable.
Claims (15)
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005116018/09A RU2296370C2 (en) | 2005-05-27 | 2005-05-27 | Infrared multirange flame and burst detector |
PCT/RU2006/000283 WO2006137757A1 (en) | 2005-05-27 | 2006-05-29 | Infrared multi-positional fire and explosion detector |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2005116018/09A RU2296370C2 (en) | 2005-05-27 | 2005-05-27 | Infrared multirange flame and burst detector |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2005116018A RU2005116018A (en) | 2006-11-20 |
RU2296370C2 true RU2296370C2 (en) | 2007-03-27 |
Family
ID=37502009
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2005116018/09A RU2296370C2 (en) | 2005-05-27 | 2005-05-27 | Infrared multirange flame and burst detector |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2296370C2 (en) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2540836C1 (en) * | 2013-07-10 | 2015-02-10 | Открытое Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Infrared multispectral radiation detector |
RU2552588C1 (en) * | 2013-11-14 | 2015-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | METHOD FOR MAKING PbSnSe SUBSTITUTION SOLID SOLUTION FILMS BY ION EXCHANGE PROCESS |
RU2575206C2 (en) * | 2011-09-02 | 2016-02-20 | Фенвал Контролз Оф Джэпэн, Лтд. | Smoke detection system of suction type |
RU2634805C2 (en) * | 2016-03-14 | 2017-11-03 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Dual-spectrum matrix infrared radiation array detector for optoelectronic sensors |
RU2642181C2 (en) * | 2016-07-05 | 2018-01-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector |
RU181197U1 (en) * | 2017-12-29 | 2018-07-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | TWO-CHANNEL MATRIX INFRARED MATRIX RECEIVER |
RU2768570C1 (en) * | 2021-04-29 | 2022-03-24 | Закрытое акционерное общество "Производственное объединение "Спецавтоматика" | Method for automatic coordinate detection of fires |
-
2005
- 2005-05-27 RU RU2005116018/09A patent/RU2296370C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2575206C2 (en) * | 2011-09-02 | 2016-02-20 | Фенвал Контролз Оф Джэпэн, Лтд. | Smoke detection system of suction type |
RU2540836C1 (en) * | 2013-07-10 | 2015-02-10 | Открытое Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Infrared multispectral radiation detector |
RU2552588C1 (en) * | 2013-11-14 | 2015-06-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" | METHOD FOR MAKING PbSnSe SUBSTITUTION SOLID SOLUTION FILMS BY ION EXCHANGE PROCESS |
RU2634805C2 (en) * | 2016-03-14 | 2017-11-03 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Dual-spectrum matrix infrared radiation array detector for optoelectronic sensors |
RU2642181C2 (en) * | 2016-07-05 | 2018-01-24 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | Tandem- structure of two-channel infrared radiation detector |
RU181197U1 (en) * | 2017-12-29 | 2018-07-05 | Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Гириконд" | TWO-CHANNEL MATRIX INFRARED MATRIX RECEIVER |
RU2768570C1 (en) * | 2021-04-29 | 2022-03-24 | Закрытое акционерное общество "Производственное объединение "Спецавтоматика" | Method for automatic coordinate detection of fires |
RU2805134C1 (en) * | 2022-08-05 | 2023-10-11 | Федеральное автономное учреждение "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" | Panoramic multispectral visualization device for studying combustion processes |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2005116018A (en) | 2006-11-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2296370C2 (en) | Infrared multirange flame and burst detector | |
US11181485B2 (en) | Method and device determining soiling of a shield | |
US5612676A (en) | Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system | |
US20210033513A1 (en) | Smoke detector chamber boundary surfaces | |
US20220082512A1 (en) | Method and device determining soiling of a shield | |
JPH0241737Y2 (en) | ||
US11788942B2 (en) | Compact optical smoke detector system and apparatus | |
CN102713540A (en) | Infrared flame detector | |
KR102638998B1 (en) | Compact optical smoke detector system and apparatus | |
US6208252B1 (en) | Low intensity flame detection system | |
RU48090U1 (en) | INFRARED MULTI-BAND FLAME AND EXPLOSION DETECTOR | |
US4415806A (en) | Radiation detector for a flame alarm | |
Dai et al. | High-response ultraviolet photodetector based on N, N’-bis (naphthalen-1-yl)-N, N’-bis (phenyl) benzidine and 2-(4-tertbutylphenyl)-5-(4-biphenylyl)-1, 3, 4-oxadiazole | |
JPS628506Y2 (en) | ||
Korotaev et al. | Sources and detectors of optical radiation | |
WO2006137757A1 (en) | Infrared multi-positional fire and explosion detector | |
US11774282B2 (en) | Pyranometer dome soiling detection with light sensors | |
FI20185482A1 (en) | Stove guard that makes use of different wavelengths | |
US5959299A (en) | Uncooled infrared sensors for the detection and identification of chemical products of combustion | |
JPH09229763A (en) | Flame sensor | |
US10317286B2 (en) | Luminaire and method for temperature control | |
JP2004219360A (en) | Ultraviolet sensor, and ultraviolet measuring method and ultraviolet detector using the same | |
US5920071A (en) | Mercury cadmium telluride devices for detecting and controlling open flames | |
US20230349807A1 (en) | Compact optical smoke detector system and apparatus | |
Kim et al. | Light Sensing of a-Si: HP in Diode-Wavelength and Intensity Effects |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QB4A | Licence on use of patent |
Effective date: 20080219 |
|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140528 |