RU2709035C1

RU2709035C1 - Fire alarm

Info

Publication number: RU2709035C1
Application number: RU2019101770A
Authority: RU
Inventors: Владимир Никитович Зинченко; Андрей Владимирович Зинченко; Николай Александрович Каширин; Владимир Николаевич Шелехов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Элпа" с опытным производством
Priority date: 2019-01-23
Filing date: 2019-01-23
Publication date: 2019-12-13

Abstract

FIELD: fire safety.SUBSTANCE: invention relates to fire safety and can be used in piezoelectric engineering, for example, as pyroelectric power sources. Disclosed is a self-contained fire detector consisting of a sensitive element, additional devices connected to it and converting a primary signal into a secondary radio signal which is convenient for use in actuating devices, as well as an autonomous power supply. Detection feature is that sensitive element is made of pyroelectric, which reacts to heating by accumulation of electric energy on it, which gives part of it as from power supply source, when it reaches a certain level, in the form of a primary signal, through a discharge device connected to the SE and operating in a relay mode (on/off), into a primary to secondary converter.EFFECT: disclosed is a fire detector.5 cl, 3 dwg

Description

Устройство относится к области пожарной безопасности и может быть использовано в пьезотехнике, например, в качестве пироэлектрических источников питания (далее ИП) и др.The device relates to the field of fire safety and can be used in piezotechnics, for example, as pyroelectric power sources (hereinafter referred to as IP), etc.

Пожарные извещатели (далее ПИ) являются важнейшими элементами пожарной сигнализации. Они преобразуют с помощью чувствительных элементов (далее ЧЭ) физические величины, характеризующие несанкционированный нагрев и возгорание (далее нагрев) в сигнал, свойственный ЧЭ, несущий информацию о нагреве в сигнал, удобный для его использования в системе пожарной безопасности (далее первичный сигнал и вторичный, соответственно). При наличии различных физических принципов, положенных в основу конструкции ПИ, одним из наиболее распространенных является тепловой принцип [1]. В этом случае, при возникновении нагрева, даже в отсутствие других признаков нагрева - задымления, открытого возгорания и др., в ЧЭ ПИ осуществляется преобразование уровня нагрева в уровень первичного сигнала, как правило, электрического, несущего информацию о нем.Fire detectors (hereinafter PI) are the most important elements of a fire alarm. Using sensitive elements (hereinafter referred to as CHE), they convert physical quantities characterizing unauthorized heating and ignition (hereinafter referred to as heating) into a signal characteristic of CHE that carries information about heating into a signal convenient for its use in the fire safety system (hereinafter referred to as primary signal and secondary, respectively). In the presence of various physical principles underlying the design of PI, one of the most common is the thermal principle [1]. In this case, when heating occurs, even in the absence of other signs of heating - smoke, open fire, etc., in the PI UE, the heating level is converted to the level of the primary signal, usually an electric signal that carries information about it.

Далее из этого сигнала, с помощью дополнительных устройств, формируется вторичный сигнал. В качестве вторичного сигнала в ряде случаев может служить и усиленный первичный.Further, from this signal, using additional devices, a secondary signal is formed. In some cases, a reinforced primary signal can also serve as a secondary signal.

Очевидно, что для формирования сигнала, ПИ должен быть подключен к источнику питания. При этом широкое применение нашли точечные ПИ, зоной ответственности которых является ближайшая область вокруг ПИ [1]. Именно такие ПИ рассматриваются в данной работе.Obviously, for signal generation, the PI must be connected to a power source. In this case, point PIs are widely used, the zone of responsibility of which is the nearest region around PIs [1]. It is such PIs that are considered in this paper.

Известен тепловой ПИ [2], состоящий из ЧЭ, преобразующий нагрев в первичный сигнал, выполненный в виде термистора на основе сплава Вуда, в скачек электрического тока при обрыве последовательной цепи при ее разрыве после воздействия нагревом на термистор, подключенный к внешнему ИП с помощью проводов. Наличие такого скачка и является сигналом несущем информацию о нагреве до температуры плавления сплава Вуда, и выше.Known thermal PI [2], consisting of CE, converting the heating into a primary signal, made in the form of a thermistor based on Wood's alloy, in the electric current surge when the serial circuit breaks when it breaks after exposure to a thermistor connected to an external IP using wires . The presence of such a jump is a signal that carries information about heating to the melting temperature of the Wood alloy, and above.

Недостатком такого устройства является отсутствие автономности ПИ, а именно, необходимость подачи питания от внешнего источника по проводам. Это затрудняет его размещение и, в общем случае, обслуживание в пожароопасных местах, в том числе в труднодоступных. При этом возникает зависимость пожарной безопасности системы от человеческого фактора. Последнее обстоятельство обретает особый смысл при создании систем пожарной безопасности в многолюдных помещениях, например торгово-развлекательных центрах [5].The disadvantage of this device is the lack of autonomy of the PI, namely, the need to supply power from an external source by wire. This makes it difficult to place and, in general, service in fire hazardous places, including inaccessible ones. In this case, the fire safety of the system depends on the human factor. The latter circumstance acquires special meaning when creating fire safety systems in crowded rooms, for example, shopping and entertainment centers [5].

Наиболее близким к заявляемому устройству является автономный ПИ [3], состоящий из ЧЭ, преобразующий нагрев в первичный сигнал, несущий информацию о степени нагрева, подключенных к нему дополнительных устройств, преобразующих первичный сигнал во вторичный - радиосигнал, передаваемый в систему пожарной безопасности по радиоканалу, а также автономный ИП в виде батареек или аккумуляторов.Closest to the claimed device is a stand-alone PI [3], consisting of a SE that converts heating to a primary signal, which carries information about the degree of heating, additional devices connected to it that convert the primary signal to secondary — a radio signal transmitted to the fire safety system via a radio channel, as well as autonomous IP in the form of batteries or accumulators.

Такой ПИ обладает более высокой степенью автономности, что позволяет оправдать затраты на его установку и обслуживание, в том числе и в труднодоступных местах повышенной пожарной опасности. В то же время не устраняется необходимость в периодической замене ИП. Это обстоятельство делает автономность ПИ условной, скорее позволяет назвать их беспроводными, и ограничивает надежность всей системы пожарной безопасности. Прежде всего такое ограничение создает человеческий фактор, что особенно актуально для многолюдных помещений, например торгово-развлекательных центров [5].Such a PI has a higher degree of autonomy, which makes it possible to justify the costs of its installation and maintenance, including in inaccessible places of increased fire hazard. At the same time, the need for periodic replacement of IPs is not eliminated. This circumstance makes the autonomy of the PI conditional, rather allows you to call them wireless, and limits the reliability of the entire fire safety system. First of all, such a restriction creates the human factor, which is especially true for crowded rooms, such as shopping and entertainment centers [5].

Задачей, на решение которой направлено заявленное устройство, является достижение технического результата в виде повышения автономности ПИ, увеличивающей возможность размещения, и, практически отсутствие необходимости в обслуживании ПИ в пожароопасных местах, в том числе труднодоступных, и, самое главное, практической независимости от человеческого фактора. Последнее является особенно актуальным для создания систем пожарной безопасности, практически не зависящих от человеческого фактора, в многолюдных местах, например в торгово-развлекательных центрах [5].The task to which the claimed device is directed is to achieve a technical result in the form of increasing the autonomy of the PI, increasing the possibility of placement, and, practically there is no need for maintenance of the PI in fire hazardous places, including hard-to-reach ones, and, most importantly, practical independence from the human factor . The latter is especially relevant for the creation of fire safety systems, practically independent of the human factor, in crowded places, for example, in shopping and entertainment centers [5].

Поставленная задача решается в конструкции автономного ПИ, состоящего из ЧЭ (выполняющего функции ИП), преобразующего нагрев в первичный сигнал, подключенных к нему дополнительных устройств, и преобразующих первичный сигнал во вторичный, радиосигнал, удобный для его использования в исполнительных устройствах, а так же автономного ИП, отличающегося тем, что ЧЭ выполнен из пироэлеткрика, реагирующего на нагрев накоплением на нем электроэнергии, отдающего часть ее как от ИП, при достижении ею заданного порогового уровня, в виде первичного сигнала, через подключенное к ЧЭ как к ИП разрядное устройство, работающее в релейном режиме (вкл./выкл.), в преобразователь первичного сигнала во вторичный.The problem is solved in the design of a stand-alone PI, consisting of a CE (performing the function of a PI), which converts heating into a primary signal, additional devices connected to it, and converts the primary signal into a secondary, radio signal convenient for its use in actuators, as well as autonomous PI, characterized in that the CE is made of pyroelectric cricket, responding to heating by the accumulation of electricity on it, giving off part of it as from PI, when it reaches a predetermined threshold level, in the form of a primary ignal, through a discharge device operating in relay mode (on / off) connected to the SE as an IP, to the converter of the primary signal to the secondary.

Возможен вариант ПИ, в котором ЧЭ как ИП изготовлен из сегнетоэлектрика, как разновидности пироэлектрика [4].A PI variant is possible, in which the SE as an IP is made of a ferroelectric, as a type of pyroelectric [4].

Также возможен вариант ПИ, в котором в качестве разрядного устройства, работающего в релейном режиме, использовано газоразрядное устройство, оптические (световые) вспышки, которого сопровождающие разряд, могут служить в качестве вторичного сигнала.A PI variant is also possible, in which a gas-discharge device is used as a discharge device operating in the relay mode, optical (light) flashes, which accompany the discharge, can serve as a secondary signal.

Возможен вариант ПИ, в котором к выходу разрядного устройства, через соответствующие электрические цепи, включающие в себя по необходимости выпрямитель, подключен источник радиосигнала, как вторичного сигнала, в виде контура ударного возбуждения или генератора ударного возбуждения, подключенного к системе пожарной безопасности через радиоканал.A PI variant is possible in which a radio signal source, as a secondary signal, in the form of a shock excitation circuit or a shock excitation generator connected to a fire safety system via a radio channel is connected to the output of the discharge device, through the appropriate electrical circuits, which include a rectifier, if necessary.

Возможен вариант ПИ, в котором в качестве газоразрядного устройства, использована неоновая лампа типа МН-3.A variant of PI is possible, in which a neon lamp of the MN-3 type is used as a gas discharge device.

Возможен вариант ПИ, в котором в качестве пироэлектрика использована пьезокерамика системы ЦТС, например ЦТС-19.A PI variant is possible, in which piezoceramics of the PZT system, for example, PZT-19, is used as a pyroelectric.

Известно, что при нагреве или охлаждении пьезокерамичсекого элемента, так и пироэлемента [4], на нем выделяется электрический заряд, как на конденсаторе, или, что практически одно и тоже, электрическое напряжение между электродами, как между обкладками конденсатора. При достаточно эффективном нагреве, это напряжение достигает величины разряда на неоновой лампе, подключенной между электродами. Так в частности, пьезокерамический элемент в виде сферы

из ЦТС-19, при начальной температуре около 15-18°С, нагреваясь в руке человека и, будучи нагруженным на неоновую лампу типа МН-3, дает до 10 вспышек этой лампы, вследствие релаксации. При охлаждении сферы происходит такой же процесс, со сменой знака напряжения на электродах. В последнем случае, по необходимости, возможно использование выпрямителя, для формирования обычного ИП с заданной полярностью. С ростом емкости пьезоэлемента, растет заряд, отдаваемый через неоновую лампу, растет надежность срабатывания генератора, питаемого от этого ИП, в качестве такого генератора может быть использован как контур ударного возбуждения, так и импульсный генератор ударного возбуждения (далее генератор) [6]. Возбуждаемые при этом радиоимпульсы несут информацию о нагреве и, принимаемые на пульт управления системы пожарной безопасности, они формируют сигнал для исполнительных устройств. Наличие человеческого фактора - смена батареек, например [5], снижает надежность системы пожарной безопасности.It is known that when heating or cooling a piezoceramic element and a pyroelement [4], an electric charge is released on it, both on the capacitor, or, which is almost the same, the electric voltage between the electrodes, as between the plates of the capacitor. With sufficiently effective heating, this voltage reaches a discharge value on a neon lamp connected between the electrodes. So in particular, a piezoceramic element in the form of a sphere

from TsTS-19, at an initial temperature of about 15-18 ° C, heating up in a person’s hand and being loaded on a neon lamp like MN-3, gives up to 10 flashes of this lamp, due to relaxation. When the sphere is cooled, the same process occurs, with a change in the sign of the voltage at the electrodes. In the latter case, if necessary, it is possible to use a rectifier to form a conventional IP with a given polarity. With an increase in the capacitance of the piezoelectric element, the charge delivered through the neon lamp grows, the reliability of the operation of the generator powered by this PI increases, both the shock excitation circuit and the pulsed shock excitation generator (hereinafter referred to as the generator) can be used as such a generator [6]. The radio pulses excited in this case carry information about heating and, received at the control panel of the fire safety system, they form a signal for actuators. The presence of the human factor - the change of batteries, for example [5], reduces the reliability of the fire safety system.

Основной идеей предлагаемого технического решения является полный отказ от внешних видов обслуживания ПИ, например, периодической замены элемента питания -батареек, и использование взамен этого энергии самого возгорания, в данном случае нагрева. Это практически избавит ПИ от человеческого фактора.The main idea of the proposed technical solution is the complete rejection of the external types of maintenance of the PI, for example, the periodic replacement of the battery element-batteries, and the use of the ignition energy itself, in this case, heating. This will practically relieve PI of the human factor.

Устройство опробовано на предприятии. На фиг. 1 приведена схема электрическая макета пироэлектрического ИП, на базе пьезоэлемента 1 из ЦТС-19 - сферы

, нагруженной на неоновую лампу МН-3 2 с элементом нагрузки 3.The device is tested at the enterprise. In FIG. Figure 1 shows an electrical layout of a pyroelectric FE, based on piezoelectric element 1 of TsTS-19 - a sphere

loaded on a neon lamp MN-3 2 with a load element 3.

При нагреве в руке человека сферы 1, от температуры (приблизительно) 15-18°С до 30-32°С неоновая лампа успевает вспыхнуть, вследствие явлений релаксации, 8-10 раз при использовании в качестве элемента нагрузки 3 резистора 10 кОм.When the sphere 1 is heated in a person’s hand, from a temperature of (approximately) 15-18 ° C to 30-32 ° C, a neon lamp flashes up due to relaxation phenomena 8-10 times when 3 resistors of 10 kOhm are used as a load element.

Проведение повторных испытаний, показало высокую повторяемость результатов и их надежность. Подобное устройство может быть использовано в качестве автономного ПИ, в котором в качестве вторичного сигнала служат вспышки газоразрядного устройства, например неоновая лампа МН-3. С целью повышения эффективности работы ПИ, в качестве элементов 1-3 могут быть использованы иные устройства, в зависимости от поставленных задач.Repeated tests showed high repeatability of the results and their reliability. A similar device can be used as a stand-alone PI, in which flashes of a gas-discharge device, such as a neon lamp MN-3, serve as a secondary signal. In order to increase the efficiency of the PI, other devices may be used as elements 1-3, depending on the tasks.

Элемент 3 может содержать в себе выпрямитель, позволяющий использовать нагрев и охлаждение как источник питания в ИП, заданного знака.Element 3 may contain a rectifier, which allows the use of heating and cooling as a power source in an IP of a given sign.

На фиг. 2а приведена схема электрическая излучающей радиоимпульсы части макета пироэлектирческого ИП для ПИ на базе пьезоэлемента 1 из ЦТС-19 - сферы

, нагруженной на неоновую лампу МН-3 (2) с подключенным к ней через элемент 3 и излучающую антенну 4, колебательный контур 5 с резонансной частотой ƒ_r в несколько кГц.In FIG. Figure 2a shows an electric circuit emitting radio pulses of a part of the model of a pyroelectric IP for PI based on piezoelectric element 1 from TsTS-19 - sphere

loaded onto a MN-3 neon lamp (2) with an oscillating antenna 4 connected to it through element 3 and a radiating antenna 4, with a resonant frequency ƒ _r of several kHz.

На фиг. 2б приведена схема электрическая приемной части макета ПИ на базе приемной антенны 1б, нагруженной на колебательный контур 2б и подключенные к нему дополнительные устройства 3б, содержащие регистрирующие устройства (осциллограф).In FIG. Figure 2b shows the electric circuit of the receiving part of the PI model based on the receiving antenna 1b loaded onto the oscillating circuit 2b and additional devices 3b connected to it, containing recording devices (oscilloscope).

Было установлено, что при нагреве пьезоэлемента 1 от комнатной температуры до +70°С на выходе 3б устройства появляются радиоимпульсы, сопровождающие релаксационные разряды пироэлемента 1. При этом было соблюдено условие равенства резонансных частот ƒ_r колебательных контуров 5 и 2б. Уже при частотах в несколько кГц, части макета функционировали при их разнесении на расстояние до 1 м, с ростом ƒ_r это расстояние резко возрастало. Таким образом, была найдена приблизительная нижняя граница рабочего диапазона ƒ_r заявляемого ПИ - несколько кГц. В качестве согласующего элемента 3 был использован резистор, оптимизирующий длительность ударного импульса - его и импульса питания. Для более высоких частот, на которых расстояние между частями ПИ - приемной и излучающей, могут возрасти до десятков и более метров, в качестве элемента 3 может быть использован генератор ВЧ, питаемый от импульсов релаксации неоновой лампы, и, таким образом, включаемый или выключаемый ими.It was found that when the piezoelectric element 1 is heated from room temperature to + 70 ° C, radio pulses appear at the output 3b of the device, accompanying relaxation discharges of the pyroelement 1. In this case, the condition for the equality of the resonance frequencies ƒ _{r of the} vibrational circuits 5 and 2b was observed. Already at frequencies of several kHz, parts of the layout functioned when they were separated by a distance of up to 1 m, with increasing ƒ _r this distance increased sharply. Thus, the approximate lower boundary of the operating range ƒ _{r of the} claimed PI was found - several kHz. As a matching element 3, a resistor was used that optimizes the duration of the shock pulse — it and the power pulse. For higher frequencies, at which the distance between the PI parts - the receiving and radiating ones, can increase to tens or more meters, an RF generator can be used as element 3, powered by relaxation pulses of a neon lamp, and thus turned on or off by them .

ЛитератураLiterature

1. ru.wikipedia.org/wiki/Пoжapный_извeщaтeль1. ru.wikipedia.org/wiki/Fire_impressor

2. protivpozhara.com/signal/struktura/tochechnyj-pozharnyj-izveshhatel2.protivpozhara.com/signal/struktura/tochechnyj-pozharnyj-izveshhatel

3. С 2000Р-ИП3. Since 2000R-IP

4. К. Окадзаки. Технология керамических диэлектриков, М., «Энергия», 1976 г. стр. 94. K. Okazaki. Technology of ceramic dielectrics, M., "Energy", 1976 p. 9

5. kommersant.ru/doc/36054865.kommersant.ru/doc/3605486

Claims

1. An autonomous fire detector, consisting of a sensitive element that converts a sign of fire - heating, into a primary signal, additional devices connected to it, converting the primary signal to secondary, connected to the fire safety system wirelessly, characterized in that the sensitive element is made of pyroelectric that responds to heating with stored energy, giving away part of it, when it reaches a predetermined threshold level, in the form of a primary signal, through connected to a sensitive the element has a discharge device operating in a relay mode, into a converter of the primary signal into the secondary one, connected wirelessly to the fire safety system.

2. The device according to p. 1, characterized in that the CE is made of ferroelectric as a type of pyroelectric.

3. The device according to claim 1, characterized in that a discharge device is used as a discharge device operating in a relay mode, the optical flashes of which accompanying the discharge can serve as a secondary signal.

4. The device according to claim 1, characterized in that the source of the radio signal as a secondary signal is connected to the output of the discharge device through the corresponding electrical circuits.

5. The device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric ceramic of the TsTS-19 system is used as one of the types of pyroelectric.