Микропроцессорный пожарно-газовый извещатель

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Общество с ограниченной ответственностью Тимпра Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр Вист-групп сенсор(72) Авторы Драпезо Александр Петрович Ярмолович Вячеслав Алексеевич Табанец Виктор Герасимович Манукян Александр Огонезович Баган Олег Алексеевич(73) Патентообладатели Общество с ограниченной ответственностью Тимпра Общество с ограниченной ответственностью Научно-технический центр Вист-групп сенсор(57) Микропроцессорный пожарно-газовый извещатель, содержащий два чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов, два операционных усилителя,функционально связанных с датчиками, микропроцессор со встроенным аналоговоцифровым преобразователем, источник питания, звуковой и световые сигнализаторы тревоги, преобразователь обмена информации с внешними устройствами, отличающийся тем, что два чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов взяты идентичными, но с возможностью работы в двух режимах, а именно имеющими преимущественно высокую чувствительность к горючим газам, таким как метан, пропан, бутан, Фиг. 1 46122008.08.30 другим газам, описываемым химической формулой , при высокой температуре нагревателя датчика и практически селективную чувствительность к угарному газу при низкой температуре нагревателя датчика, причем дополнительно введены электромагнитное реле и элементы управления электромагнитным клапаном, разрешающим/запрещающим подачу газа из газовой магистрали, а также резервный источник питания, а микропроцессор запрограммирован и имеет функции автотестирования электронных компонентов с элементами отображения исправности/неисправности устройства, обмен информацией с внешними устройствами обеспечивается по интерфейсной шине 232.(56) 1. Основные тенденции развития традиционных пожарных извещателей. Ч. 1 Ч. 2. // Снабжение и сбыт. -15, 2003. 2. Патент РФ 2224293. 3. Патент РФ 2305325. 4. Извещатель пожарный ИП 101/435-1-А 1/2 Эксперт, изготовитель ООО ЭтраСпецАвтоматика, .-. //. 5.2000030165, 2000. 6.5528225, 1996. 7. НПБ 88-2001 Установки пожаротушения и сигнализации. Нормы и правила проектирования (утв. приказом ГУГПС МВД РФ от 4 июня 200131) (с изменениями от 31 декабря 2002) (Согласованы с Госстроем РФ письмом от 23.04.2001. -9-18/238). 8.2256228, 2005 (прототип). 9. НПБ 71-98. Извещатели пожарные газовые. Общие технические требования. Методы испытаний. Утверждены и введены в действие приказом ГУПС МВД России 27 июня 1998. -54. Настоящая полезная модель относится к области пожарной безопасности, а именно, к комбинированным извещателям пожарным газовым, т.е. устройствам, реагирующим на газы, выделяющиеся при тлении или горении материалов, а также дополнительно на утечки из газовой магистрали смеси бытовых горючих газов типа метана, пропана, бутана и других газов, описываемых химической формулой . Наиболее массовое распространение получили дымовые пожарные извещатели, анализ которых приведен в 1, в том числе известны дымовые пожарные извещатели с автотестированием 2, а также микропроцессорные 3, которые совсем не решают задачи обнаружения утечки смеси бытовых горючих газов и с большой задержкой по времени могут обнаружить возгорание, т.е. тревога поднимается лишь тогда, когда помещение уже значительно заполнено дымом. Такие извещатели имеют высокую вероятность ложного срабатывания или, что еще хуже, несрабатывания в условиях пожара, что тоже можно отнести к разновидности ложного срабатывания. Описанные недостатки обусловлены конвекционным принципом распространения дыма, при котором частицы сажи и дым переносятся тепловыми потоками, направления которых определяются препятствиями в помещении и распределением температурного поля. Это значит, что в холодных помещениях, в пространстве, пересеченном балконами, колоннами, фальш-потолками, дым стелется понизу, не достигая приборов обнаружения пожара. Известен сертифицированный в РФ извещатель пожарный комбинированный ИП 101/435-1-А 1/2 Эксперт 4, который предназначен для сверхраннего обнаружения пожара, начиная со стадии тления. Он имеет два датчика датчик угарного газа СО и датчик температуры. Это устройство содержит микропроцессор, который анализирует концентрации угарного газа, характерные для пожара, и срабатывает при достижении кон 2 46122008.08.30 центрации СО (41-80) . Второй датчик является вспомогательным средством на случай интенсивного горения, когда температура резко начинает возрастать и достигает интервала (54-65) С. Микропроцессор непрерывно тестирует исправность извещателя и,при неисправности контакты сухого реле размыкаются. Вероятность ложного срабатывания, а равно и несрабатывания в этом устройстве гораздо ниже. Однако критерии срабатывания у этих двух датчиков совсем разные, а времена инерционности отличаются на многие порядки. Вероятность одновременного выполнения условий, а именно достижения концентрации СО (41-80)и температуры (54 - 65) С, низкая, поэтому ни один из датчиков не может подтвердить показания другого. Кроме того, извещатель может зафиксировать только начальную стадию пожара, а не предотвратить ее, например, на стадии утечки бытовых горючих газов типа метана. Известно устройство 5, которое содержит микропроцессор со средствами индикации и отображения информации, к которому поступают сигналы от 4 чувствительных датчиков. Это датчики, реагирующие селективно на температуру, дым, СО, ароматические углеводороды. Это устройство может выдать соответствующие сигналы тревоги как при ранней стадии возгорания, так и при утечке горючих газов типа . Вероятность ложного срабатывания (несрабатывания) достаточно велика, поскольку увеличивается количество датчиков, функционирующих на принципиально разных физических принципах и следовательно, имеющих различные инерционности и временные критерии срабатывания, что в итоге приводит к конфликту ситуаций и росту вероятности ложного срабатывания. Дополнительно следует отметить, что газы, описываемые химической формулой , выделяются как при утечке горючих газов из газовой магистрали, так и при возгорании, а,например, когда на кухне работает газовая плита, ситуация при избыточном числе датчиков становится понятийно-конфликтной. Также известно устройство извещателя 6, в котором для определения присутствия горючих газовых смесей с преобладанием метана или процессов горения, преимущественно по выделению СО, использовался газовый сенсор, в котором на нагреватель подавалось импульсное напряжение двух уровней высокое, когда температура нагревателя датчика достигала 450 С, и низкое, когда эта температура приближалась к 300 С. В первом режиме датчик имел преимущественно высокую чувствительность к горючим газам,например, основным компонентом которых являлся метан, а во втором режиме датчик реагировал преимущественно на СО. В этом устройстве использовался единый принцип детектирования газов, но недостатком являлось одновременное отсутствие как диагностики электронных компонентов извещателя, так и отсутствие дублирования газовых датчиков (извещателей), что не исключает ложное срабатывание (несрабатывание). Согласно НПБ 88-2001 7, допускается установка одного пожарного извещателя (без дублирования) в защищаемом помещении, если одновременно выполняются следующие условия а) площадь помещения не больше площади, защищаемой пожарным извещателем, указанной в технической документации на него б) обеспечивается автоматический контроль работоспособности пожарного извещателя, подтверждающий выполнение им своих функций с выдачей извещения о неисправности на приемно-контрольный прибор в) обеспечивается идентификация неисправного извещателя приемно-контрольным прибором г) по сигналу с пожарного извещателя не формируется сигнал на запуск аппаратуры управления пожаротушения или дымоудаления. Наиболее близкое техническое решение (прототип) описано в 8. В одном из вариантов устройство содержит два чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов, два операционных усилителя, функционально связанных с датчиками, микропроцессор со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, источник питания(подразумевается), звуковой и световые сигнализаторы тревоги, преобразователь обмена информации с внешними устройствами. Технический результат, достигнутый в прототипе, уменьшение вероятности получения ложного сигнала на начальной стадии возгорания за 3 46122008.08.30 счет одновременного измерения и анализа концентраций по меньшей мере двух газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов и являющихся наиболее характерными для начальной стадии пожара. Формирование сигнала тревоги осуществляется при совпадении значений соотношений концентраций газовых компонентов с заданными. В прототипе и предлагаемой нами настоящей полезной модели общим является контроль за концентрациями по крайней мере двух газов СО и . Основным недостатком прототипа является отсутствие информации (тревожного сообщения) на стадии возможности потенциального возгорания, когда в результате утечки из газовой магистрали выделяются бытовые горючие газы, например метан, концентрация которого может превысить 10 НКПР (нижний концентрационный предел распространения пламени). В настоящей полезной модели решается задача повышения надежности обнаружения утечки бытовых горючих газов типа метана 4, пропана 38, бутана и других газов,описываемых химической формулой , с соответствующей выдачей управляющего сигнала на закрытие электромагнитного клапана подачи газа или (и) обнаружения пожара на ранней стадии его возникновения, преимущественно по концентрации СО, без ложных срабатываний. Для решения указанной задачи предлагается следующее устройство микропроцессорного пожарно-газового извещателя, содержащее два чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов, два операционных усилителя, функционально связанных с датчиками, микропроцессор со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, источник питания, звуковой и световые сигнализаторы тревоги, преобразователь обмена информации с внешними устройствами, отличающееся тем, что два чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов взяты идентичными, но с возможностью работы в двух режимах, а именно имеющими преимущественно высокую чувствительность к горючим газам, таким как метан, пропан, бутан, другим газам, описываемым химической формулой , при высокой температуре нагревателя датчика и практически селективную чувствительность к СО при низкой температуре нагревателя датчика, причем дополнительно введены электромагнитное реле и элементы управления электромагнитным клапаном, разрешающим/запрещающим подачу газа из газовой магистрали, а также резервный источник питания, а микропроцессор запрограммирован и имеет функции автотестирования электронных компонентов с элементами отображения исправности/неисправности устройства, обмен информацией с внешними устройствами обеспечивается по интерфейсной шине 232. Новая идея, обеспечивающая решение поставленной задачи, заключается в следующем. Два идентичных газовых датчика находятся в двух различных дежурных режимах благодаря различным подаваемым напряжениям электрического питания на нагреватель соответствующего датчика, которое управляется микропроцессором. При этом один из датчиков настроен на измерение концентрации бытовых горючих газов, описываемых химической формулойв диапазоне концентраций не менее (1-10)НКПР, а второй на определение концентрации угарного газа в диапазоне концентраций (20-80) , который выделяется уже на ранней стадии тления. Если один из датчиков определяет пожарную опасность по соответствующим критериям, то микропроцессор переключает другой датчик в режим дублирования первого датчика с целью подтверждения показаний первого датчика. Это уменьшает вероятность ложного срабатывания извещателя, и автоматически выполняются требования к извещателям, определенные в НПБ 88-2001. В основу критериев положен анализ величины концентрации газа, определяемой в дежурном режиме, и скорость нарастания этой концентрации. Для случая распознавания возгорания на ранней его стадии (тления) - это превышение выделяющимся СО порога концентрации в 40 ,одновременно с выполнением условия, определяемого согласно НПБ 71-98 9, 5/50 /мин, где С - изменение концентрации СО, , за время , мин. Для случая 4 46122008.08.30 обнаружения утечки бытовых горючих газов, например, преимущественно метана, - это достижение концентрации в воздухе 0,25 об.с выдачей сигнала предупредительного извещения. Для формирования сигнала предупредительного извещения используют отклонения проводимости чувствительного слоя датчика от среднего значения проводимости в данном помещении и при положительном значении величины роста концентрации,т.е. /0 за промежуток времени не более 30 с. Неравенство /0 интегрированное за промежуток времени 30 с исключает ложное срабатывание от флуктуационных процессов распространения газа при диффузии. Далее анализируется концентрация горючих газов по сигналам от двух чувствительных датчиков, функционирующих в режиме дублирования. При определении каждым из датчиков превышения уровня концентрации горючих газов в воздухе величины 0,5 об.и выполнения /0, соответственно,включается аварийное извещение и выдается управляющий сигнал на реле, отключающий с помощью электромагнитного реле подачу газа из газовой магистрали. Анализ элементов устройства, таких как наличие резервного источника питания,функции автотестирования электронных компонентов с элементами отображения исправности/неисправности устройства, обмен информацией с внешними устройствами по интерфейсной шине 232, а также электромагнитное реле и элементы управления электромагнитным клапаном, приведенных в отличительной части формулы, показывает, что они встречаются по отдельности в различных аналогах технических решений. Однако в совокупности с использованием двух чувствительных датчиков концентрации в воздухе газовых компонентов, взятых идентичными, с возможностью работы в двух режимах, обеспечивающих селективную чувствительность либо к утечке горючих бытовых газов, описываемых химической формулой , либо выделяющемуся на ранней стадии пожара СО в пределах концентраций, характерных для каждой чрезвычайной ситуации, набор этих элементов неизвестен, поэтому является новым. Кроме того, совокупность этих элементов придает устройству новое качество функционирования и обеспечивает полное решение поставленной задачи. Поэтому заявляемое устройство соответствует критерию новизна по действующему законодательству. Сущность заявляемого технического решения поясняется на фиг. 1, 2. На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства микропроцессорного пожарногазового извещателя, а на фиг. 2 - ее продолжение. Устройство содержит следующие основные блоки источник питания 1- сетевой адаптер с преобразованием напряжения 220 В/5 В (постоянное), резервный источник питания 2 - аккумуляторная батарея с выходным напряжением 4,8 В, работающая в режиме постоянной подзарядки от сетевого адаптера 1 и обеспечивающая питание устройства в случае перебоев в электросети, микропроцессор 3 со встроенным аналогово-цифровым преобразователем, предназначенный для реализации алгоритма функционирования устройства, два идентичных чувствительных датчика концентрации в воздухе газовых компонентов 4 и 5, выходы которых подключены ко входам вх 1 и вх 2 микропроцессора 3. Стабилизированное напряжение питания на нагревательные элементы датчиков газа 4 и 5 подаются с выходов операционных усилителей 6 и 7 соответственно и непосредственно управляются микропроцессором 3 по выходным каналам Вых 6 и Вых 7, электрически связанным через соответствующие делители напряжения с операционными усилителями 6 и 7 и стабилизатором напряжения 8. Световые индикаторы 2, 3, 4 (светодиоды) управляются соответствующими выходными напряжениями вых 1, вых 2, вых 3 микропроцессора 3. Блок 9 - реле 1 и сигнализатор звукового извещения 10 (пьезоизлучатель НА 1) подключены к выходам Вых 4 и Вых 5 блока 3 соответственно. Разъем 1-1 и клеммная колодка ХТ 1 служат для коммутации электрических цепей. Преобразователь 11 интерфейса 232 предназначен для обмена информацией с внешними устройствами и соответствующим образом подключен, как представлено на фиг. 1. Электромагнитный клапан 12 служит для подачи газа из газовой магистрали потребителю и управляется электромагнитным реле 13, которое в 5 46122008.08.30 свою очередь, управляется контактами реле 9, подключенного к микропроцессору 3. Переключатель 1 предназначен для ручного включения реле 2 при работе извещателя в дежурном (нормальном) режиме как при прекращении подачи газа вследствие перебоев в подаче напряжения электросети, так и после автоматического прекращения подачи газа с помощью предлагаемого устройства. Вначале, перед установкой извещателя, микропроцессор программируется, а устройство калибруется на измерение концентрации соответствующего газа и срабатывание функций звукового, светового извещения и выдачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан в условиях, когда в испытательной газовой камере находятся атмосферный воздух,СО, бытовые горючие газы с преобладанием метана, концентрация которых устанавливается и измеряется с высокой точностью сертифицированным газоанализатором. Устройство работает следующим образом. После подачи напряжения питания или от сетевого адаптера 1, или от резервного источника питания 2 (в случае перебоев в сети 220 В), микропроцессор 3 тестирует исправность электронных компонентов устройства. При этом в течение 150 с мигает светодиод 2, а нагревательные элементы чувствительных газовых датчиков 4 и 5 входят в соответствующий температурный режим работы. Микропроцессор с помощью операционных усилителей 5 и 6 коммутацией резисторов 3, 4, 7, 8 устанавливает напряжение 0,9 В на нагревателе датчика газа 4 и 0,2 В - на нагревателе датчика 5. При положительных результатах автотестирования устройства светодиод 2 светится постоянно зеленым цветом, указывая, что устройство функционирует нормально в дежурном режиме РАБОТА, включается реле 1 (элемент 9) и разрешается обмен информацией по интерфейсной шине 232 между преобразователем интерфейса 11 и внешними устройствами, например центральным пунктом диспетчеризации (не изображен). Два датчика 4 и 5 идентичны, однако они имеют преимущественно высокую чувствительность к горючим газам, таким как метан, пропан, бутан, дрругим газам, описываемым химической формулой , при высокой температуре нагревателя датчика и практически селективную чувствительность к СО при низкой температуре нагревателя датчика. Поэтому при описанной выше схеме подачи электрического напряжения на нагреватели датчиков, датчик 4 оказывается настроен на измерение концентрации бытовых горючих газов, описываемых химической формулой , в диапазоне концентраций не менее (1-10)НКПР, а датчик 5 на определение концентрации угарного газа в диапазоне концентраций (20-80) , который выделяется уже на ранней стадии тления. В дежурном режиме функционирования микропроцессор периодически тестирует исправность электронных компонентов устройства, и в случае обнаружения неисправности мигают все индикаторы 2, 3, 4, пьезоизлучателем 10 передаются чередующиеся звуковые сигналы различной длительности длинный - короткий - длинный, а с помощью преобразователя 11 передается соответствующая информация по шине интерфейса 232. Рассмотрим внештатную ситуацию, когда произошло возгорание на стадии тления. При этом начинает выделяться угарный газ СО. Он распространяется диффузионным путем. Процесс диффузии обеспечивает равновесие концентрации газов во всем объеме, независимо от температуры окружающей среды и преград. СО равномерно перемешивается с частицами воздуха, достигает чувствительных газовых датчиков в короткие сроки, при этом устройство работает в дежурном режиме. Датчик 5 непрерывно анализирует газовую атмосферу на предмет присутствия СО. Если датчик 5 определяет пожарную опасность по соответствующим критериям, то микропроцессор переключает датчик 4 в режим дублирования датчика 5 с целью подтверждения показаний датчика 5. На нагревателе датчика 4 устанавливается напряжение в 0,2 В. Это уменьшает вероятность ложного срабатывания извещателя, и автоматически выполняются требования к извещателям, определенные в НПБ 88-2001. В основу критериев положен анализ величины концентрации СО, определяемый в дежурном режиме, и скорость нарастания этой концентрации. Для случая распо 6 46122008.08.30 знавания возгорания на ранней его стадии (тления) - это превышение выделяющимся СО порога концентрации в 40 , одновременно с выполнением условия, определяемого согласно НПБ 71-98 9 5/50 /мин, где С - изменение концентрации СО, ,за время , мин. Таким образом, при подтверждении дублирующим датчиком указанных критериев, микропроцессор 3 обеспечивает управление светодиодом 3 (горит постоянно индикатор красного цвета ПОЖАР), пьезоизлучатель 10 выдает непрерывный звуковой сигнал, а с помощью преобразователя 11 передается соответствующая информация по шине интерфейса 232. Возвращение устройства в дежурный режим работы происходит в случае, если оба датчика 4 и 5 определят, что концентрация СО стала менее 20 , что соответствует требованиям НПБ 71-98 9. При этом с помощью преобразователя 11 передается соответствующая информация по шине интерфейса 232. Рассмотрим другую внештатную ситуацию, когда произошла утечка бытовых горючих газов, например, когда основным компонентом является метан. При этом устройство находится в дежурном режиме работы. Датчик 4 отслеживает концентрацию метана. При достижении концентрации в воздухе 0,25 об.выдается сигнал предупредительного извещения. Для формирования сигнала предупредительного извещения используют отклонения проводимости чувствительного слоя датчика 4 от среднего значения проводимости в данном помещении и при положительном значении величины роста концентрации, т.е./ 0 за промежуток времени не более 30 с. Неравенство /0 интегрированное за промежуток времени 30 с исключает ложное срабатывание от флуктуационных процессов распространения газа при диффузии. При этом датчик 5 переводится в режим дублирования датчика 4. На нагревателе датчика 5 устанавливается напряжение в 0,9 В. При предупредительном световом извещении достижения порога горючих газов в воздухе 0,25 формируются светодиодом 4 редкие световые сигналы красного цвета, временной интервал между миганиями 5 с. Предупредительное звуковое извещение - редкие звуковые сигналы с временным интервалом 5 с - передается пьезоизлучателем 10. Далее анализируется концентрация горючих газов по сигналам от двух чувствительных датчиков 4 и 5,функционирующих в режиме дублирования. Максимальное время предупредительного извещения - 10 мин, после чего устройство переходит в дежурный режим, если концентрация горючих газов не превысила порога в 0,5 об. . Далее цикл предупредительного извещения может повториться, если концентрация горючих газов превышает 0,25 об. ,но менее 0,5 об. . При определении каждым из датчиков превышения уровня концентрации горючих газов в воздухе величины 0,5 об.и выполнения / 0 соответственно,включается аварийное извещение и выдается управляющий сигнал на реле 13, отключающий с помощью электромагнитного клапана 12 подачу газа из газовой магистрали. При аварийном извещении пьезоизлучателем 10 передаются частые звуковые сигналы с временным интервалом 1 с, а светодиод 4 с надписью ГАЗ излучает частые световые сигналы красного цвета, временной интервал между миганиями 1 с. С помощью преобразователя 11 передается соответствующая информация по шине интерфейса 232. Переход устройства в дежурный режим осуществляется при определении двумя дублирующими друг друга датчиками 4 и 5 снижения концентрации горючих газов в воздухе до значения менее 0,25 об. . После автоматического отключения электромагнитного клапана 12 подачу газа из газовой магистрали можно восстановить только ручным способом с помощью переключателя 1. Переключатель 1 предназначен для ручного включения реле 13 после автоматического прекращения подачи газа при работе извещателя в дежурном(нормальном) режиме. В случае одновременности двух событий, а именно утечки бытовых горючих газов и пожара, два датчика 4 и 5 переводятся в дублирующий импульсный режим работы с длительностью импульса 150 с и скважностью 2. При каждом из режимов работы в импульсе анализ ситуации и принятия решений микропроцессором аналогично описанным ранее порознь, когда эти ситуации были рассмотрены отдельно. 7 46122008.08.30 Функциональная схема реализована на известных элементах отечественного и зарубежного производства. В качестве микропроцессора 3 используется микроконтроллер 16688/. Преобразователь 11 интерфейса 232 реализован на 3202. В качестве чувствительных датчиков концентрации в воздухе газовых компонентов СО и 4 используются два сенсора -309 фирмы. . Операционные усилители выполнены на основе микросхемы 8602, сигнализатор звукового извещения 10 реализован на основе пьезоизлучателя -472. Используется реле марки -3/005-1, а электромагнитный клапан - ВН 1/2 Н-0,2. Резервный источник питания 2 содержит четыре аккумулятора - типа АА-1500 м с выходным напряжением 1,2 В каждый. Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий средство, воплощающее заявленную полезную модель, при ее осуществлении предназначено для использования в области пожарной безопасности для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в ниже изложенной формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов средство, воплощающее заявленное, при его осуществлении способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно, заявляемое устройство соответствует требованию промышленная применимость по действующему законодательству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8