RU2808053C1

RU2808053C1 - Combined fire annunciator

Info

Publication number: RU2808053C1
Application number: RU2023112773A
Authority: RU
Inventors: Алексей Анатольевич Приладышев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПРОТЕН"
Filing date: 2023-05-17
Publication date: 2023-11-22

Abstract

FIELD: firefighting technical means.

SUBSTANCE: combined fire detector contains a smoke detector and a precision temperature sensor, while the smoke detector is made in the form of a smoke chamber with a protective mesh and a light emitter and photodetector inside, the optical axes of which lie in different planes. The smoke chamber is made with special protrusions made in the form of wave-shaped ribs to exclude external illumination of the photodetector. Inside the detector body there is a thermal channel with a precision thermal sensor, the signals from which, together with the signals from the light emitter, are processed by an electronic recording and control unit containing a microcontroller, an amplifier, a photodetector, a temperature-compensated current source connected to the light emitter, and an energy storage device in the form of a capacitor.

EFFECT: reducing power consumption and heat generation, increasing the reliability of fire detection.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к противопожарным техническим средствам, в частности к комбинированным пожарным извещателям с двумя каналами регистрации - дымовым и тепловым, применяемым в случаях, когда необходимо контролировать оба фактора пожара (дым и тепло) или когда доминирующий фактор не определен.The invention relates to fire-fighting technical means, in particular to combined fire detectors with two registration channels - smoke and heat, used in cases where it is necessary to control both fire factors (smoke and heat) or when the dominant factor is not determined.

Известен оптический датчик дыма, содержащий установленный на основании корпус, в котором образована измерительная камера, связанная с окружающим пространством посредством выполненных в корпусе подводящих каналов, имеющих волнообразную форму, а также расположенные в измерительной камере источник светового излучения, два фотоприемника, каждый из которых отделен от прямого попадания излучения от источника светового излучения соответствующей перегородкой, при этом источник светового излучения выполнен из двух излучателей, работающих в разных цветовых диапазонах, а оба фотоприемника - с возможностью восприятия рассеянного излучения в применяемых диапазонах цветового спектра, причем фотоприемники имеют возможность соединения с модулем управления и расположены в измерительной камере таким образом, что первый из них, воспринимающий прямое рассеянное излучение от источника светового излучения, находится в зоне прямого рассеяния светового излучения под углами в диапазоне 30-40° от направления, совпадающего с направлением падающего света, а второй из них, воспринимающий боковое рассеянное излучение от источника светового излучения - в зоне бокового рассеяния светового излучения в диапазоне углов 85-110° от направления, совпадающего с направлением падающего света - RU 179257 U1, 2018 г.An optical smoke sensor is known, containing a housing installed on the base, in which a measuring chamber is formed, connected to the surrounding space through supply channels made in the housing, having a wave-like shape, as well as a light radiation source located in the measuring chamber, two photodetectors, each of which is separated from direct impact of radiation from a source of light radiation by a corresponding partition, while the source of light radiation is made of two emitters operating in different color ranges, and both photodetectors are capable of perceiving scattered radiation in the applied ranges of the color spectrum, and the photodetectors have the ability to connect to the control module and located in the measuring chamber in such a way that the first of them, perceiving direct scattered radiation from the source of light radiation, is located in the zone of direct scattering of light radiation at angles in the range of 30-40° from the direction coinciding with the direction of the incident light, and the second of them, perceiving lateral scattered radiation from a source of light radiation - in the zone of lateral scattering of light radiation in the range of angles 85-110° from the direction coinciding with the direction of the incident light - RU 179257 U1, 2018.

Известный оптический датчик дыма имеет достаточную достоверность показаний при значительной запыленности измерительной камеры, достигаемую использованием двух оптопар, работающих в разных световых диапазонах, позволяющих дифференцировать частицы дыма и пыли. Однако горение веществ с интенсивным повышением температуры с практически отсутствием дыма, например, при горении легко воспламеняющихся жидкостей, тип горения - ТП-6, данный датчик является неэффективным и не определяет пожар, который уже идет.The known optical smoke sensor has sufficient reliability of readings even with significant dust in the measuring chamber, achieved by using two optocouplers operating in different light ranges, allowing to differentiate smoke and dust particles. However, when burning substances with an intense increase in temperature with virtually no smoke, for example, when burning flammable liquids, the type of combustion is TP-6, this sensor is ineffective and does not detect a fire that is already in progress.

Известен комбинированный пожарный извещатель в соответствии со способом измерения оптической плотности среды, включающий наличие нескольких измерительных каналов, связанных с опорным каналом, при этом измерительные каналы расположены в пространстве на равном расстоянии от общего центра, выделение амплитуд разностных между измерительными каналами сигналов, сравнение максимальной из таких амплитуд со значением сигнала в опорном канале и при превышении порога по результатам сравнения формирование результатов измерения оптической плотности среды для установления факта наличия дыма - RU 2618476 C1, 2017 г.A combined fire detector is known in accordance with a method for measuring the optical density of a medium, including the presence of several measuring channels connected to a reference channel, with the measuring channels located in space at an equal distance from a common center, isolating the amplitudes of the difference signals between the measuring channels, comparing the maximum of these amplitudes with the signal value in the reference channel and when the threshold is exceeded based on the results of comparison of the results of measuring the optical density of the medium to establish the presence of smoke - RU 2618476 C1, 2017.

Извещатели пожарные, построенные с использованием такого способа, обладают высокой чувствительностью и способны обнаружить пожар на ранней стадии, но прямое повышение чувствительности дымового оптического извещателя ведет к повышению ложных срабатываний, особенно при использовании таких пожарных извещателей на объектах, где пыль возникает в процессе применяемой технологии работ. Другим недостатком извещателя является неравномерное старение в процессе эксплуатации используемых оптопар: трех - в измерительных каналах и одной - в опорном канале, что сказывается на достоверности измерений.Fire detectors built using this method are highly sensitive and are able to detect a fire at an early stage, but a direct increase in the sensitivity of an optical smoke detector leads to an increase in false alarms, especially when using such fire detectors at sites where dust arises during the work technology used . Another disadvantage of the detector is the uneven aging during operation of the optocouplers used: three in the measuring channels and one in the reference channel, which affects the reliability of measurements.

Наиболее близким аналогом является извещатель опасности в виде дымового извещателя для работы в зоне с повышенным радиоактивным излучением, содержащий, детекторный блок, определяющий характеристику опасности, полупроводниковый компонент и другие электрические компоненты для вывода сигнала тревоги, и схему управления температурой, сконфигурированную для управления температурой полупроводникового компонента, при этом схема регулирования температуры содержит электрический нагревательный элемент, управляющий нагревом одного полупроводникового компонента, при этом один полупроводниковый компонент включает в себя микроконтроллер на базе процессора, имеющий, исполняемую компьютерную программу для управления рассеиванием электроэнергии микроконтроллера и/или другой полупроводниковый компонент, которым может управлять микроконтроллер в соответствии с температурой полупроводникового компонента посредством электрического нагревательного элемента - US 2013120150 A1.The closest analogue is a hazard detector in the form of a smoke detector for operation in an area with increased radioactive radiation, comprising a detector unit that determines the hazard characteristic, a semiconductor component and other electrical components for outputting an alarm signal, and a temperature control circuit configured to control the temperature of the semiconductor component wherein the temperature control circuit comprises an electrical heating element that controls heating of one semiconductor component, wherein one semiconductor component includes a processor-based microcontroller having, an executable computer program for controlling power dissipation of the microcontroller, and/or another semiconductor component that can be controlled microcontroller in accordance with the temperature of the semiconductor component via an electric heating element - US 2013120150 A1.

В известном извещателе опасности для компенсации тепла, окружающего блок извещателя, которое может препятствовать проникновению дыма или отклонять его таким образом, что в случае пожара внутрь блока извещателя может попасть недостаточное количество частиц дыма для того, чтобы быть обнаруженными, используется схема управления температурой собственного излучения электронных компонентов, а также используются тепловые перегородки, отделяющие измерительный канал детектора от его других частей, и тепловые развязки, способствующие сбросу тепла на конструкцию, к которой устанавливается извещатель.In the prior art hazard detector, to compensate for the heat surrounding the detector unit, which may prevent or deflect smoke from entering so that in the event of a fire, not enough smoke particles may enter the detector unit to be detected, a circuit is used to control the temperature of the self-emitting electronics. components, and also use thermal partitions that separate the measuring channel of the detector from its other parts, and thermal decoupling that facilitates the release of heat to the structure to which the detector is installed.

В соответствии с указанными недостатками, техническая задача изобретения - уменьшение электропотребления и тепловыделения, повышение достоверности обнаружения пожара, снижение эксплуатационных расходов.In accordance with these disadvantages, the technical objective of the invention is to reduce power consumption and heat generation, increase the reliability of fire detection, and reduce operating costs.

Эта задача решена в комбинированном пожарном извещателе, содержащем корпус с размещенным в нем детектором дыма в виде дымовой камеры с перегородкой, разделяющей установленные с разных ее сторон под углом друг к другу светоизлучатель и фотоприемник, оптические оси которых лежат в разных плоскостях. Дымовая камера содержит защитную сетку по всему периметру, а также имеет специальные выступы, выполненные в виде ребер волнообразной формы, расположенные по периферии дымовой камеры равномерно по ее периметру. Над дымовой камерой, внутри корпуса, расположен тепловой канал, выполненный в виде делителя напряжения, включающего в себя резистор и прецизионный термодатчик в виде терморезистора. На корпусе установлен индикаторный элемент в виде светодиода, корпус имеет в нижней части вырезы. Внутри корпуса содержится электронный блок регистрации и управления, содержащий микроконтроллер, который соединен с детектором дыма, тепловым каналом и, через электронный ключ - с индикаторным элементом. Блок регистрации и управления соединен с выходом усилителя, вход которого подключен к фотоприемнику. Микроконтроллер соединен с термокомпенсированным источником тока с подключенным к его выходу светоизлучателем. Накопитель энергии в виде конденсатора соединен с термокомпенсированным источником тока. Делитель напряжения подключен к микроконтроллеру.This problem is solved in a combined fire detector containing a housing with a smoke detector placed in it in the form of a smoke chamber with a partition separating a light emitter and a photodetector installed on different sides at an angle to each other, the optical axes of which lie in different planes. The smoke chamber contains a protective mesh around the entire perimeter, and also has special protrusions made in the form of wave-shaped ribs, located along the periphery of the smoke chamber evenly along its perimeter. Above smoke chamber, inside the housing, there is a thermal channel made in the form of a voltage divider, which includes a resistor and a precision temperature sensor in the form of a thermistor. An indicator element in the form of an LED is installed on the case; the case has cutouts in the lower part. Inside the case there is an electronic registration and control unit containing a microcontroller, which is connected to a smoke detector, a thermal channel and, through an electronic key, to an indicator element. The registration and control unit is connected to the output of the amplifier, the input of which is connected to the photodetector. The microcontroller is connected to a temperature-compensated current source with a light emitter connected to its output. An energy storage device in the form of a capacitor is connected to a temperature-compensated current source. Voltage divider connected to the microcontroller.

Частное исполнение предполагает использование в качестве светоизлучателя и фотоприемника инфракрасные свето- и фотодиоды.A private version involves the use of infrared light and photodiodes as a light emitter and photodetector.

На фиг. 1, 2 и 3 изображена конструкция пожарного извещателя, на фиг. 4 - схема электронного блока регистрации и управления, на фиг. 5 - диаграмма импульсов фототока при нарастании концентрации дыма в корпусе извещателя.In fig. 1, 2 and 3 show the design of a fire detector; Fig. 4 - diagram of the electronic recording and control unit, Fig. 5 - diagram of photocurrent pulses with increasing smoke concentration in the detector body.

Конструкция пожарного извещателя по фиг. 1, 2, 3 состоит из корпуса 1 с вырезами 2 в его нижней части и размещенным в нем детектором дыма в виде дымовой камеры 3 с перегородкой 4, разделяющей установленные с разных ее сторон под углом друг к другу светоизлучатель 5 и фотоприемник 6 так, что оптические оси их лежат в разных плоскостях.The design of the fire detector according to Fig. 1, 2, 3 consists of a housing 1 with cutouts 2 in its lower part and a smoke detector placed in it in the form of a smoke chamber 3 with a partition 4 separating the light emitter 5 and the photodetector installed on different sides at an angle to each other 6 so that their optical axes lie in different planes.

Перегородка 4 исключает прямое попадание излучения света и выполнена в виде выступа в конструкции с возможностью протекания потока дыма с внешней стороны, через вырезы 2.The partition 4 excludes direct exposure to light radiation and is made in the form of a protrusion in the structure with the possibility of a flow of smoke from the outside, through the cutouts 2.

Светоизлучатель 5 выполнен в виде инфракрасного светодиода, фотоприемник 6 выполнен в виде инфракрасного фотодиода.The light emitter 5 is made in the form of an infrared LED, the photodetector 6 is made in the form of an infrared photodiode.

Дымовая камера 3 защищена сеткой 7 по всему периметру от доступа насекомых и посторонних предметов. Smoke chamber 3 is protected by mesh 7 around the entire perimeter from access by insects and foreign objects.

Дымовая камера 3 имеет специальные выступы 8, выполненные в виде ребер волнообразной формы и расположенные по периферии камеры 3, равномерно по ее периметру - фиг. 3. Выступы 8 исключают внешнюю засветку фотоприемника 6.The smoke chamber 3 has special projections 8, made in the form of wave-shaped ribs and located along the periphery of the chamber 3, evenly along its perimeter - FIG. 3. Protrusions 8 exclude external illumination of the photodetector 6.

Волнообразная форма выступов дымовой камеры, защищающих ее от внешней засветки, не препятствует дыму проникновению внутрь.The wavy shape of the smoke chamber protrusions, which protect it from external illumination, does not prevent smoke from penetrating inside.

Над дымовой камерой 3, внутри корпуса 1, расположен тепловой канал, содержащий прецизионный термодатчик 9, выполненный в виде терморезистора. Above smoke chamber 3, inside housing 1, there is a thermal channel containing a precision temperature sensor 9, made in the form of a thermistor.

На корпусе 1 установлен индикаторный элемент в виде светодиода 10 для визуального определения работоспособности устройства.An indicator element in the form of an LED 10 is installed on the housing 1 to visually determine the operability of the device.

Внутри корпуса 1, за дымовой камерой 3, размещен электронный блок регистрации и управления с микроконтроллером 11, который обрабатывает сигналы с дымового и теплового каналов, он смонтирован на печатной плате.Inside housing 1, behind the smoke chamber 3, there is an electronic registration and control unit with a microcontroller 11, which processes signals from the smoke and heat channels; it is mounted on a printed circuit board.

Блок-схема электронного блока приведена на фиг. 4.The block diagram of the electronic unit is shown in Fig. 4.

Дымовой канал содержит термокомпенсированный источник тока 12 со светоизлучателем 5, усилитель 13 с подключенным к нему фотоприемником 6 и накопитель энергии в виде конденсатора 14.The smoke channel contains a temperature-compensated current source 12 with a light emitter 5, an amplifier 13 with a photodetector 6 connected to it, and an energy storage device in the form of a capacitor 14.

Тепловой канал выполнен в виде делителя напряжения и содержит прецизионный термодатчик 9, в качестве которого используют терморезистор, и резистор 15.The thermal channel is made in the form of a voltage divider and contains a precision temperature sensor 9, which is used as a thermistor, and a resistor 15.

Управление обоими каналами осуществляется микроконтроллером 11, который соединен с источником тока 12 светоизлучателя 5, выходом усилителя 13 и делителем напряжения теплового канала, а конденсатор 14 соединен с источником тока 12 светоизлучателя 5.Both channels are controlled by a microcontroller 11, which is connected to the current source 12 of the light emitter 5, the output of the amplifier 13 and the voltage divider of the thermal channel, and the capacitor 14 is connected to the current source 12 of the light emitter 5.

Установленный на корпусе 1 индикаторный светодиод 10, индицирующий состояние работы пожарного извещателя, подключен к микроконтроллеру 11 через электронный ключ 16, например транзистор.An indicator LED 10 installed on the housing 1, indicating the operating status of the fire detector, is connected to the microcontroller 11 through an electronic key 16, for example a transistor.

Работа пожарного извещателя осуществляется следующим образом.The fire detector operates as follows.

Микроконтроллер 11 с определенной частотой опроса вырабатывает управляющий сигнал для источника тока 12, формирующий импульс тока для светоизлучателя 5, излучающего световой поток в инфракрасном диапазоне, который рассеивается частичками дыма и улавливается фотоприемником 6.The microcontroller 11 with a certain sampling frequency generates a control signal for the current source 12, which forms a current pulse for the light emitter 5, emitting a light flux in the infrared range, which is scattered by smoke particles and captured by the photodetector 6.

Микроконтроллер 11 имеет в своем составе два аналого-цифровых преобразователя АЦП1 и АЦП2, принимающих сигналы с дымового и теплового канала, соответственно, анализ сигналов с которых проводится в микроконтроллере 11 с помощью встроенных в него алгоритмов, созданных на основе диаграммы направленности рассеянного излучения, согласно теории рассеяния световой волны на частицах малых размеров и изменения свойств полупроводниковых элементов от температуры.Microcontroller 11 includes two analog-to-digital converters ADC1 and ADC2, which receive signals from the smoke and thermal channels, respectively, the signals from which are analyzed in microcontroller 11 using built-in algorithms created on the basis of the scattered radiation radiation pattern, according to the theory scattering of a light wave on small particles and changes in the properties of semiconductor elements depending on temperature.

Сигнал светоизлучателя 5, принятый фотоприемником 6, усиливается усилителем 13 и поступает на узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП1) микроконтроллера 11, в котором преобразуется в цифровой код, пропорциональный уровню освещенности фотоприемника 6. Энергия для формирования токового импульса поступает от конденсатора 14, заряжающегося в паузах между импульсами. The signal from the light emitter 5, received by the photodetector 6, is amplified by the amplifier 13 and supplied to the analog-to-digital converter unit (ADC1) of the microcontroller 11, in which it is converted into a digital code proportional to the illumination level of the photodetector 6. The energy for generating the current pulse comes from the capacitor 14, which is charged in pauses between impulses.

Принцип действия теплового канала заключается в измерении напряжения с помощью АЦП2 микроконтроллера 11 в центральной точке делителя, которое изменяется пропорционально изменению сопротивления терморезистора (прецизионного термодатчика 9) и, как следствие, пропорционально изменению температуры.The principle of operation of the thermal channel is to measure the voltage using the ADC2 of the microcontroller 11 at the central point of the divider, which changes proportionally to the change in the resistance of the thermistor (precision temperature sensor 9) and, as a result, in proportion to the change in temperature.

Тепловой канал, построенный как максимально-дифференциальный, реагирует не только на установленный температурный порог, но и на скорость нарастания температуры, поэтому он своевременно, при резком нарастании температуры, выдает сигнал о пожаре.The heat channel, built as a maximum-differential one, reacts not only to the set temperature threshold, but also to the rate of temperature increase, so it promptly issues a fire signal when the temperature rises sharply.

В данном пожарном извещателе применен метод компенсации запыленности дымовой камеры, который одновременно является еще и механизмом дополнительной температурной компенсации при суточных и сезонных колебаниях температуры.This fire detector uses a method for compensating for dust in the smoke chamber, which is also a mechanism for additional temperature compensation for daily and seasonal temperature fluctuations.

На фиг. 5 схематично представлена диаграмма импульсов фототока, возникающих при нарастании концентрации дыма в камере 3 извещателя.In fig. Figure 5 schematically shows a diagram of photocurrent pulses that occur as the smoke concentration increases in chamber 3 of the detector.

Измерение в дымовом канале основывается на вычислении отклонений отклика детектора дыма (светоизлучателя 5 и фотоприемника 6) от базовой линии Б, значение которой определяется по отклику детектора дыма в тот момент, когда в камере отсутствует дым. Это значение определяется при первом включении пожарного извещателя после его программирования, и записывается в энергонезависимую память устройства.The measurement in the smoke channel is based on calculating the deviations of the response of the smoke detector (light emitter 5 and photodetector 6) from the baseline B, the value of which is determined by the response of the smoke detector at the moment when there is no smoke in the chamber. This value is determined the first time the fire detector is turned on after its programming, and is recorded in the non-volatile memory of the device.

Порог срабатывания П извещателя настраивается относительно этой базовой линии Б, то есть, уровень задымленности рассчитывается следующим образом:The detection threshold P of the detector is adjusted relative to this baseline B, that is, the smoke level is calculated as follows:

Vdym = Vcurr - VbaseVdym = Vcurr - Vbase

где:Where:

- Vdym - это уровень задымленности, который в результате будет сравниваться с порогом;- Vdym is the smoke level, which as a result will be compared with the threshold;

- Vcurr - текущее измеренное значение в дымовой камере;- Vcurr - current measured value in the smoke chamber;

- Vbase - базовое значение в дымовой камере при чистом воздухе.- Vbase - base value in the smoke chamber with clean air.

При попадании (и оседании) пылевых частиц в камеру при измерении появляется постоянный сигнал, отличный от базовой линии Б и влияющий на точность вычисления Vdym.When dust particles enter (and settle) into the chamber during measurement, a constant signal appears, different from baseline B and affecting the accuracy of the Vdym calculation.

В предлагаемом пожарном извещателе базовая линия Б является адаптивной, и при очень медленных изменениях (таких, как суточные изменения температуры или попадание частички пыли в камеру) принимает новое актуальное значение.In the proposed fire detector, baseline B is adaptive, and with very slow changes (such as daily temperature changes or dust particles entering the chamber) it takes on a new current value.

Для реализации механизма адаптивной базовой линии в предлагаемом пожарном извещателе введен дифференциальный канал, измеряющий скорость изменения значения Vdym. Если за длительный период изменение Vdym не превысит определенного порога, то устройство вычисляет новое значение Vbase = Vcur и дальше использует при вычислениях это новое значение.To implement the adaptive baseline mechanism in the proposed fire detector, a differential channel is introduced that measures the rate of change of the Vdym value. If over a long period the change in Vdym does not exceed a certain threshold, then the device calculates a new value Vbase = Vcur and then uses this new value in calculations.

Таким образом, уровень Vbase постоянно подстраивается под текущее состояние дымовой камеры; такой механизм позволяет значительно увеличить периоды сервисного обслуживания датчика (очистку дымовой камеры).Thus, the Vbase level is constantly adjusted to the current state of the smoke chamber; This mechanism allows you to significantly increase the periods of sensor service (cleaning the smoke chamber).

Предлагаемый комбинированный пожарный извещатель основное время работы находится в ждущем режиме, поэтому его собственное электропотребление и, соответственно, тепловыделение минимально.The proposed combined fire detector is in standby mode most of the time, so its own power consumption and, accordingly, heat generation is minimal.

По алгоритму, заложенному в микроконтроллер извещателя, он постоянно подстраивается под текущее состояние дымовой камеры, что повышает достоверность обнаружения пожара, а также позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы, увеличив время между сервисным обслуживанием датчика (очисткой дымовой камеры).According to the algorithm embedded in the detector microcontroller, it constantly adapts to the current state of the smoke chamber, which increases the reliability of fire detection, and also allows you to significantly reduce operating costs by increasing the time between servicing the sensor (cleaning the smoke chamber).

Claims

1. A combined fire detector containing a housing with a smoke detector placed in it in the form of a smoke chamber with a partition separating a light emitter and a photodetector installed on different sides at an angle to each other, the optical axes of which lie in different planes, the smoke chamber is made with special protrusions , above smoke chamber, inside the housing, there is a precision thermal sensor in the form of a thermistor included in the thermal channel, the housing has cutouts in the lower part, inside the housing contains an electronic recording and control unit with a microcontroller, which is connected to a smoke detector, thermal channel and indicator element, characterized in that the smoke chamber contains a protective mesh around the entire perimeter, special protrusions in it are made in the form of wave-shaped ribs located along the periphery of the smoke chamber evenly along its perimeter, the indicator element is made in the form of an LED, installed on the housing and connected to the microcontroller via an electronic key, an amplifier, an energy storage device in the form of a capacitor and a temperature-compensated current source are additionally introduced, while the input of the amplifier is connected to the output of the photodetector, and the output is connected to the microcontroller, the energy storage device in the form of a capacitor is connected to a temperature-compensated current source, the output is connected to the light emitter, and the input is connected to with a microcontroller, which is also connected to a thermal channel made in the form of a voltage divider, which includes a resistor and a precision temperature sensor in the form of a thermistor.

2. A combined fire detector according to claim 1, characterized in that infrared light and photodiodes are used as a light emitter and photodetector.