RU2623988C1 - Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области пожарной безопасности. Способ раннего обнаружения пожара, основанный на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов. Определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов и сравнивают с заданным его значением, при совпадении указанных значений формируют сигнал тревоги. Наряду с сигналом тревоги формируют высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты. Манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе. Усиливают по напряжению, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина. Выделяют напряжение промежуточной частоты и осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем периодической перестройки частоты гетеродина, а затем удваивают фазу напряжения промежуточной частоты, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на промежуточной частоте и его второй гармонике. Преобразуют значение ширины спектра в соответствующие амплитуды, определяют разность указанных амплитуд, сравнивают ее с пороговым уровнем и в случае его превышения принимают решение об обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляцией, прекращении перестройки частоты гетеродина на время τ_з, необходимое для синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, разрешении его дальнейшей обработки, в ходе которой делят его по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_пр/2, удваивают фазу, выделяют колебание на промежуточной частоте ω_пр, сдвигают по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте. Выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, по истечении времени τ_з продолжают перестройку частоты гетеродина и поиск сигналов в заданном диапазоне частот. В процессе преобразования частоты принимаемого сигнала выделяют напряжение суммарной частоты, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения обработки принимаемого сигнала по селекции и обнаружению сложного сигнала с фазовой манипуляцией, выделяют ложный сигнал (помеху), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, инвертируют его по фазе на 180°, суммируют с принимаемым ложным сигналом (помехой) и компенсируют его. Для реализации способа используют устройство для раннего обнаружения пожара. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости и достоверности приема сигналов тревоги. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов.

Известны способы и устройство обнаружения пожара (патенты РФ №№2.032.229, 2.078.377, 2.177.179, 2.207.631, 2.210.813, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002, 2.531.883; патенты США №№5.049.861, 5.079.422, 6.307.477; патент ЕР №0.940.679; патент WO №9.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. - М.: Стройиздат, 1985, с. 292-295 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.531.883, G08B 17/117, 2007), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Известные технические решения обеспечивают повышение достоверности раннего обнаружения пожара одновременно на нескольких объектах пожарной безопасности. Это достигается передачей сигналов тревоги на разных частотах одновременно от нескольких объектов пожарной безопасности

При этом на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе осуществляют поиск, обнаружение и селекцию сложных ФМн-сигналов среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот.

Диспетчерский пункт наблюдения построен по схеме панорамного супергетеродинного приемника, в котором одно и то же значение промежуточной частоты ω_пр может быть получено в результате приема сигналов на частотах ω_с и ω_з, т.е.

ω_пр=ω_с-ω_г и ω_пр=ω_г-ω_з,

Следовательно, если частоту настройки ω_с принять за основной канал приема, то наряду с ним имеет место и зеркальный канал приема, частота ω_з которого отличается от частоты ω_с на 2ω_пр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ω_г гетеродина (фиг. 6). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования К_пр, что и по основному каналу приема. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость приемника.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. Любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:

где ω_ki - частота i-го комбинационного канала приема;

m, n, i - целые положительные числа.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третьей), так как чувствительность этих каналов близка к чувствительности основного канала приема. Так, двум комбинационным каналам приема при m=1 и n=2 соответствуют частоты:

ω_k1=ω_г-ω_пр и ω_k2=2ω_г+ω_пр.

Если частота ω_п помехи равна промежуточной частоте ω_пр(ω_п=ω_пр), то образуется канал прямого прохождения.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения, зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и достоверности приема сигналов тревоги на диспетчерском пункте наблюдения.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности приема сигналов тревоги на диспетчерском пункте наблюдения путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам.

Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентраций газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, усиливают по напряжению, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты и осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем периодической перестройки частоты гетеродина, а затем удваивают фазу напряжения промежуточной частоты, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на промежуточной частоте и его второй гармонике, преобразуют значения ширины спектра в соответствующие амплитуды, определяют разность указанных амплитуд, сравнивают ее с пороговым уровнем и в случае его превышения принимают решение об обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляции, прекращение перестройки частоты гетеродина на время τ_з, необходимое для синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, и разрешении его дальнейшей обработки, в ходе которой делят его по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_пр/2, удваивают фазу, выделяют колебание на промежуточной частоте ω_пр, сдвигают по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, по истечении времени τ_з продолжают перестройку частоты гетеродина и поиск сигналов в заданном диапазоне частот, отличается от ближайшего аналога тем, что в процессе преобразования частоты принимаемого сигнала выделяют напряжение суммарной частоты, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения обработки принимаемого сигнала по селекции и обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляцией, выделят ложный сигнал (помеху), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, инвертируют его по фазе на 180°, суммируют с принимаемым ложным сигналом (помехой) и компенсируют его.

Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен с вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а диспетчерский пункт наблюдения и/или пожарная служба содержит последовательно включенные приемную антенну и усилитель высокой частоты, последовательно включенные блок поиска, вход которого соединен с выходом порогового блока, гетеродин, смеситель и усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные второй удвоитель фазы, второй измеритель ширины спектра, второй преобразователь ширины спектра в амплитуду, блок вычитания, второй вход которого через первый преобразователь ширины спектра в амплитуду соединен с выходом первого измерителя ширины спектра, пороговый блок, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, первый ключ, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, первый удвоитель фазы, второй узкополосный фильтр, фазовращатель на 90°, фазовый детектор и блок регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено третьим узкополосным фильтром, фазоинвертором, сумматором, усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором и вторым ключом, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий узкополосный фильтр, фазоинвертор и сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, а выход подключен к второму входу смесителя, к выходу которого последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам второго удвоителя фазы и первого измерителя ширины спектра и к вторым входам фазового детектора и первого ключа.

Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов выделяющихся при тлении хлопка, изображены на фиг. 1. Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении древесины, изображены на фиг. 2. Структурная схема устройства для раннего обнаружения пожара представлена на фиг. 3. Структурная схема устройства для приема сложного сигнала с фазовой манипуляцией, содержащего сведения об объектах, где возникает пожар, представлена на фиг. 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройств, показаны на фиг. 5.

Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых предназначен для измерения концентрации одного газового компонента и содержит датчик в виде, например, газового сенсора 1.i (i=1, 2, …, n), к которому подключены последовательно соединенные согласующий усилитель 2.i и аналого-цифровой преобразователь 3i. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 3i подключен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 светового и звукового сигналов тревоги, снабженного световым 6 и звуковым 7 сигнализаторами, при этом выход 8 формирователя 5 соединен с центральным концентратором пожарной охраны (не показан). Количество каналов зависит от количества газовых компонентов, концентрации которых измеряют одновременно на начальной стадии возгорания. К второму выходу микропроцессора 4 последовательно подключены формирователь 9 модулирующего кода, фазовый манипулятор 11, второй вход которого через задающий генератор 10 соединен с выходом микропроцессора 4, усилитель 12 мощности и передающая антенна 13.

Устройство для приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, сумматор 39, смеситель 17, второй вход которого соединен с выходом гетеродина 16, усилитель 18 промежуточной частоты, второй ключ 42, первый измеритель 29 ширины спектра, первый преобразователь 31 ширины спектра в амплитуду, блок 33 вычитания, пороговый блок 34, второй вход которого через линию задержки 36 соединен с его выходом, первый ключ 35, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 42, делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, первый удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 42, и блок 25 регистрации. К выходу второго ключа 42 последовательно подключены второй удвоитель 28 фазы, второй измеритель 30 ширины спектра и второй преобразователь 32 ширины спектра в амплитуду, выход которого соединен с вторым входом блока 33 вычитания. Управляющий вход гетеродина 16 через блок 26 поиска соединен с выходом порогового блока 34.

К выходу усилителя 15 последовательно подключены третий узкополосный фильтр 37 и фазоинвертор 38, выход которого соединен с вторым входом сумматора 39. К выходу смесителя 17 последовательно подключены усилитель 40 суммарной частоты и амплитудный детектор 41, выход которого соединен с вторым входом второго ключа 42.

Устройство для приема сложных ФМн-сигналов устанавливается на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе.

Устройство для раннего обнаружения пожара может быть реализовано на известных элементах отечественного и зарубежного производства, таких как полупроводниковые сенсоры типа ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieger» (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа P1C 12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Devices» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (Н₂), окись углерода (СО), двуокись углерода (СО₂) и ароматические углеводороды (С_хН_у), причем концентрации этих газов изменяются во времени.

Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов в первые несколько минут после начала тления хлопка и древесины показаны соответственно на фиг. 1 и 2, где К - текущее значение концентрации газового компонента в воздухе в %.

Анализ графиков показывает, что в течение первых минут тления идет резкое газовыделение одновременно нескольких газов. А именно водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов. Значения концентрации выделяемых газов для разных горючих материалов могут быть различны, но выделение окиси углерода всегда сопровождается выделением водорода, ароматических углеводородов и двуокиси углерода. При этом значения соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах.

Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношения концентраций в воздухе ароматических углеводородов водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждый текущий момент времени составляют:

К_СхНу:К_Н2: К_СО:К_СО2=1:1,5-2,5:6,0-8.5:4.0.

При этом значения соотношений концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат в пределах 1:2,4-5,6 в каждый текущий момент времени.

Указанные выше соотношения концентрации основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношение текущих значений концентрации этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.

Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1÷1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (Н₂, СО, CO₂ и C_xH_y), изменяет свою проводимость при изменении концентрации этого газового компонента в воздухе. Затем этот сигнал усиливают и преобразуют с помощью соответствующего преобразователя 3.1÷3.n в цифровой сигнал.

Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например, через 0,1-1 минуту опрашивает сенсоры 1.1÷1.n, сопоставляет между собой поступившие с них текущие значения сигналов (соответствующие текущим значениям концентраций газовых компонентов в воздухе) и полученные соотношения текущих значений сигналов сравнивает с заданными соотношениями значений сигналов, записанными ранее и хранящимися в его памяти. При совпадении соотношений текущих значений сигналов с заданными соотношениями значений на формирователи 5 и 9 поступают сигналы, формирующие сигналы тревоги: световой, звуковой, а также сигнал, подаваемый с выхода 8 на центральный концентратор пожарной охраны, и модулирующий код M(t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности соответственно.

Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй - третьей минутах после начала искусственно вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала, например.

На первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:

К_СхНу:К_Н2:К_СО:K_CO2=1:2,6:6:3,7,

на третьей минуте:

К_СхНу:К_Н2:К_СО:К_СО2=1:2,1:5:3.

Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:

К_Н2:К_СО=1:2,3,

а на третьей минуте:

К_Н2:К_СО=1:2,4

При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, цепа, шион) на первой минуте соотношение:

К_СхНу:К_Н2:К_СО:К_СО2=1:1,6:8:3,

на третьей минуте:

К_СхНу:К_Н2:К_СО:К_СО2=1:2,1:7:2,8.

При совпадении соотношения текущих значений концентрации основных газовых компонентов с заданными соотношениями в микропроцессоре 4 формируется сигнал, который с его второго выхода поступает на вход задающего генератора 10 и включает его.

Задающий генератор 10 формирует высокочастотное колебание (фиг. 5,а)

u_c(t)=U_c⋅Cos(ω_ct+ϕ_с), 0≤t≤Т_с,

где U_c, ω_с ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на второй вход фазового манипулятора, на первый вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 9 (фиг. 5, б), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности. На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг. 5, в)

u₁(t)=U_c⋅Cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤Т_с,

где ϕ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) 9 фиг. 5, б), причем ϕ_k(t)=const при Кτ_э<t<(К+1) τ_э и может изменяться скачком при t=Кτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N); τ_э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с(T_c=N⋅τ_э),

который после усиления в усилителе 12 мощности поступает в антенну 13 и излучается ею в эфир.

Следовательно, сигнал тревоги каждого объекта пожарной безопасности характеризуется несущей частотой и модулирующим кодом, отображающим его идентификационный номер.

На диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе поиск ФМн-сигналов осуществляется путем перестройки частоты гетеродина 16 в заданном диапазоне частот Df.

Принимаемый ФМн-сигнал u₁(t) (фиг. 5, в) с выхода приемной антенны 14 через усилитель 15 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 17, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 16 линейно-изменяющейся частоты

u_г(t)=U_г⋅Cos(ω_гt+πγt²+ϕ_г), 0≤t≤T_п,

где

- скорость перестройки частоты гетеродина в заданном диапазоне частоты Df; Т_п - период перестройки.

Поиск сложных ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется путем периодической перестройки частоты гетеродина 16 с помощью блока 26 поиска, в качестве которого может быть использован генератор пилообразного напряжения.

На выходе смесителя 17 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 18 и 40 выделяются напряжения промежуточной (разностной) и суммарной частот:

u_пр(t)=U_пр⋅Cos[ω_прt+ϕ_к(t)-πγt²+ϕ_пр],

u_Σ(t)=U_пр⋅Cos[ω_Σt+ϕ_к(t)+πγt²+ϕ_Σ], 0≤t≤T_c,

где

; ω_пр=ω_с-ω_г - промежуточная частота;

ω_Σ=ω_с-ω_г; ω_Σ=ω_г+ω_с - суммарная частота;

ϕ_пр=ϕ_с-ϕ_г; ϕ_Σ=ϕ_г+ϕ_с.

Напряжение u_Σ(t) с выхода усилителя 40 суммарной частоты поступает на вход амплитудного детектора 41, который выделяет его огибающую. Последняя поступает на управляющий вход ключа 42, открывая его. В исходном состоянии ключ 42 всегда закрыт. При этом напряжение u_Σ(t) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты через открытый ключ 42 поступает на входы первого измерителя 29 ширины спектра и второго удвоителя 28 фазы. На выходе последнего образуется следующее напряжение

u₂(t)=U₂⋅Cos(2ω_прt+2πγt²+2ϕ_пр),

где

, в котором фазовая манипуляция уже отсутствует, так как 2ϕ_k(t)={0,2π}. Это напряжение поступает на вход второго измерителя 30 ширины спектра.

Ширина спектра Δf_c сложного ФМн-сигнала определяется длительностью τ_э его элементарных посылок

тогда как ширина спектра его второй гармоники определяется длительностью T_c сигнала

т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра

входного сигнала

Следовательно, в результате удвоения фазы сложного ФМн-сигнала его ширина спектра «сворачивается» в N раз.

Ширина спектра Δf_c сложного ФМн-сигнала и его второй гармоники Δf₂ измеряются с помощью измерителей 29 и 30 ширины спектра. Измеренные значения ширины спектра Δf_c и Δf₂ поступают на входы преобразователей 31 и 32 ширины спектра, в амплитуду. На выходе последних образуются напряжения, амплитуды которых U_I и U_II пропорциональны ширине спектра Δf_c и Δf₂, соответственно (U_I=Δf_c, U_II=Δf₂). Так как Δf_c>>Δf₂, то и U_I>>U_II. Амплитуды U_I и U_II поступают на два входа блока 33 вычитания, на выходе которого образуется разность

ΔU_I-U_II,

которая сравнивается с пороговым уровнем V_пор в пороговом блоке 34. Пороговое напряжение V_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи, шумы и другие ложные сигналы.

При превышении порогового уровня U_пор (ΔU>U_пор) в пороговом блоке 34 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 35, открывая его, на управляющий вход блока 26 поиска, выключая его, и на вход линии 36 задержки, время задержки τ_з которой выбирается таким, чтобы можно было обработать и зафиксировать обнаруженный ФМн-сигнал. В исходном состоянии ключ 35 всегда закрыт.

При ложных сигналах (помехах) ΔU≈0 и ключ 35 не открывается.

Следовательно, второй удвоитель 28 фазы, измерители 29 и 30 ширины спектра, преобразователи 31 и 32 ширины спектра в амплитуду, блок 33 вычитания, пороговый блок 34, ключ 35 и линия 36 задержки образуют обнаружитель 27 ФМн-сигналов и обеспечивают их селекцию среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот Df.

При прекращении перестройки частоты ω_г гетеродина 16 усилителями 18 и 40 выделяются следующие напряжения:

u_пр1(t)=U_пр⋅Cos[ω_прt+ϕ_к(t)+ϕ_пр],

u_Σ(t)=U_пр⋅Cos[ω_Σt+ϕ_к(t)+ϕ_Σ], 0≤t≤T_c.

Напряжение u_пр1(t) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты через открытый ключ 35 поступает на вход делителя 19 фазы на два, на выходе которого образуется гармоническое напряжение (фиг. 5, д)

u_з(t)=U₃⋅Sin[ω_пр/2t+ϕ_пр/2], 0≤t≤Т_с,

где u₃=0,707 U₂.

Это напряжение выделяется узкополосным фильтром 20 и поступает на вход удвоителя 21 фазы, на выходе которого образуется гармоническое напряжение

u₄(t)=U₄⋅Sin(ω_прt+ϕ_пр), 0≤t≤Т_с,

где

,

которое выделяется узкополосным фильтром 22 и поступает на вход фазовращателя 23 на 90°. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг. 5, е)

u₅(t)=U₄⋅Sin(ω_прt+ϕ_пр+90°)=U₄⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр), 0≤t≤Т_с,

которое используется в качестве опорного напряжения и подается на опорный вход фазового детектора 24, на информационный вход которого поступает ФМн-сигнал на промежуточной частоте U_пр(t) (фиг. 5, г) с выхода усилителя 18 промежуточной частоты.

В результате синхронного детектирования на выходе фазового детектора 24 образуется низкочастотное напряжение (фиг. 5, ж)

u_н(t)=U_н⋅Cos ϕ_к(t), 0≤t≤T_c,

где

,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг. 5, б), которое фиксируется блоком 25 регистрации.

По истечении времени τ_з напряжение с выхода линии 36 задержки поступает на второй (управляющий) вход порогового блока 34 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 35 закрывается, а блок 26 поиска отключается, т.е. они возвращаются в свои исходные состояния.

При обнаружении следующего сложного ФМн-сигнала, принадлежащего другому объекту пожарной безопасности и имеющего другую несущую частоту, работа устройства происходит аналогичным образом.

Описанная выше работа устройства соответствует случаю приема сложных ФМн-сигналов по основному каналу на частоте ω_с (фиг. 6).

Если ложный сигнал (помеха) поступает на вход диспетчерского пункта наблюдения по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр

u_п(t)=U_п⋅Cos(ω_прt+ϕ_п), 0≤t≤Т_с,

То он поступает на первый вход сумматора 39, выделяется узкополосным фильтром 37, частота настройки ω_н1 которого выбирается равной промежуточной частоте ω_пр(ω_н1=ω_пр), и поступает на вход фазоинвертора 38. На выходе последнего образуется напряжение

u_п1(t)=U_п⋅Cos(ω_прt+ϕ_п), 0≤t≤Т_с,

которое подается на второй вход сумматора 39. Напряжение u_п(t) и u_п1(t), поступающие на два входа сумматора 39, на его выходе компенсируются.

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, подавляется фильтром-пробкой, состоящим из узкополосного фильтра 37, фазоинвертора 38, сумматора 39 и реализующим фазокомпенсационный метод.

При приеме сигналов на других частотах у сумматора 39 задействовано только одно плечо и он выполняет функцию простого передаточного звена.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте ω_з

u_з1(t)=U_з⋅Cos(ω_зt+ϕ_з), 0≤t≤Т_з,

то на выходе смесителя 17 образуются следующие напряжения:

u_пр2(t)=U_пр1⋅Cos(ω_прt+ϕ_пр1),

u_Σ1(t)=U_пр⋅Cos(ω_Σ1t+ϕ_Σ1), 0≤t≤T_з,

где

;

ω_пр=ω_г-ω_з - промежуточная (разностная) частота;

ω_Σ1=ω_з+ω_г - первая суммарная частота;

ϕ_пр1=ϕ_з-ϕ_з1; ϕ_Σ1=ϕ_з+ϕ_г.

Напряжение u_пр2(t) попадает в полосу пропускания усилителя 18 промежуточной частоты. Однако напряжение u_Σ2(t) не попадает в полосу пропускания усилителя 40 суммарной частоты. Это объясняется тем, что частота настройки ω_н2 выбрана равной частоте ω_Σ=ω_г+ω_с(ω_н2=ω_Σ). Первая суммарная частота ω_Σ1=ω_з+ω_г отличается от суммарной частоты ω_Σ на удвоенное значение промежуточной частоты 2ω_пр(ω_Σ-ω_Σ1=2ω_пр). Ключ 42 не открывается и ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте ω_з, подавляется.

По аналогичной причине подавляются и другие ложные сигналы (помехи), принимаемые по другим дополнительным каналам.

Для своевременной передачи сигнала тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения используются радиоканалы и сложные сигналы с фазовой манипуляцией.

В широко известной схеме А.А. Пистолькорса, которая также обеспечивает выделение опорного напряжения, необходимого для синхронного детектирования принимаемого ФМн-сигнала, непосредственно из самого сигнала, присутствует явление «обратной работы». Это объясняется тем, что в данной схеме за счет удвоения частоты фазовая манипуляция устраняется полностью, т.е. сигнал разрушается. Поэтому сформированное опорное напряжение из разрушенного сигнала не имеет жесткой когерентности с ФМн-сигналом, отчего и происходит явление «обратной работы», т.е. низкочастотный сигнал на выходе фазового детектора воспринимается в «негативе»: нули вместо единиц и наоборот.

В предложенном приемнике ФМн-сигнал на промежуточной частоте поступает на делитель фазы на два, а не на удвоитель частоты. Поэтому ФМн-сигнал полностью не разрушается, а только уменьшается его девиация фазы. В результате чего формируется колебание промежуточной частоты жестко синфазное с ФМн-сигналом. Последнее и исключает явление «обратной работы» и повышает достоверность выделения низкочастотного напряжения, пропорционального модулирующему коду M(t).

Одновременное контролирование нескольких газов повышает надежность обнаружения пожара именно на ранних стадиях тления и возгорания. При этом исключается возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов по любой из причин, не соответствующей процессу возгорания. Последнее возможно, например, в результате утечки газов из баллонов, емкостей или трубопроводов, находящихся внутри или вблизи охраняемых помещений.

Предлагаемые способ и устройство обеспечивают повышение достоверности раннего обнаружения пожара одновременно на нескольких объектах пожарной безопасности. Это достигается передачей сигналов тревоги на разных частотах одновременно от нескольких объектов пожарной безопасности. При этом на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе осуществляют поиск, обнаружение и селекцию сложных ФМн-сигналов среди других сигналов и помех в заданном диапазоне частот.

Указанные сигналы позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.

В результате деления фазы на два и удвоения фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это и позволяет обнаружить сложный ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности помех и шумов.

Кроме того, за счет узкополосной фильтрации удается отфильтровать значительную часть шумов и помех и тем самым повысить чувствительность приемника.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и достоверности приема сигналов тревоги на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе. Это достигается подавлением ложных сигналов (помех), принимаемых по дополнительным каналам (по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, по зеркальному каналу на частоте ω_з, по первому комбинационному каналу на частоте ω_н1, по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2 и по другим дополнительным каналам).

При этом для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, используется фильтр-пробка, состоящий из узкополосного фильтра 37, фазоинвертора 38, сумматора 39 и реализующий фазокомпенсационный метод.

Для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному каналу на частоте ω_з и по другим дополнительным каналам, используется цепочка, состоящая из усилителя 40 суммарной частоты, амплитудного детектора 41, ключа 42 и реализующей метод суммарной частоты.

Следует отметить, что указанные технические решения являются весьма эффективными и отличаются простотой реализации.

Claims (2)

1. Способ раннего обнаружения пожара, основанный на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентраций газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, усиливают по напряжению, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, выделяют напряжение промежуточной частоты и осуществляют поиск сигналов в заданном диапазоне частот путем периодической перестройки частоты гетеродина, а затем удваивают фазу напряжения промежуточной частоты, измеряют ширину спектра принимаемого сигнала на промежуточной частоте и его второй гармонике, преобразуют значение ширины спектра в соответствующие амплитуды, определяют разность указанных амплитуд, сравнивают ее с пороговым уровнем и в случае его превышения принимают решение об обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляцией, прекращении перестройки частоты гетеродина на время τ_з, необходимое для синхронного детектирования обнаруженного сложного сигнала с фазовой манипуляцией, и разрешении его дальнейшей обработки, в ходе которой делят его по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ω_пр/2, удваивают фазу, выделяют колебание на промежуточной частоте ω_пр, сдвигают по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, по истечении времени τ_з продолжают перестройку частоты гетеродина и поиск сигналов в заданному диапазоне частот, отличающийся тем, что в процессе преобразования частоты принимаемого сигнала выделяют напряжение суммарной частоты, детектируют его и используют продетектированное напряжение для разрешения обработки принимаемого сигнала по селекции и обнаружении сложного сигнала с фазовой манипуляции, выделяют ложный сигнал (помеху), принимаемый по каналу прямого прохождения на промежуточной частоте ω_пр, инвертирут его по фазе на 180°, суммируют с принимаемым ложным сигналом (помехой) и компенсируют его.

2. Устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, ко второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй входе которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а диспетчерский пункт наблюдения и/или пожарная служба содержит последовательно включенные приемную антенну и усилитель высокой частоты, последовательно включенные блок поиска, вход которого соединен с выходом порогового блока, гетеродин, смеситель и усилитель промежуточной частоты, последовательно включенные второй удвоитель фазы, второй измеритель ширины спектра, второй преобразователь ширины спектра в амплитуду, блок вычитания, второй вход которого через первый преобразователь ширины спектра в амплитуду соединен с выходом первого измерителя ширины спектра, пороговый блок, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, первый ключ, делитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, первый удвоитель фазы, второй узкополосный фильтр, фазовращатель на 90°, фазовый детектор и блок регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено третьим узкополосным фильтром, фазоинвертором, сумматором, усилителем суммарной частоты, амплитудным детектором и вторым ключом, причем к выходу усилителя высокой частоты последовательно подключены третий узкополосный фильтр, фазоинвертор и сумматор, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, а выход подключен ко второму входу смесителя, к выходу которого последовательно подключены усилитель суммарной частоты, амплитудный детектор и второй ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход подключен к входам второго удвоителя фазы и первого измерителя ширины спектра и к вторым входам фазового детектора и первого ключа.

Images