CC BY
28
ПОЖАРНАЯ АВТОМАТИКА
УДК 608.4:614.84
ФОРМИРОВАТЕЛЬ ТЕСТ-СИГНАЛА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ДАТЧИКОВ ПЛАМЕНИ И ВЗРЫВА
В настоящее время широкое распространение получили оптоэлектронные датчики пламени и взрыва. В большинстве случаев после настройки и проверки работоспособности инфракрасных датчиков пламени на специализированных стендах в заводских условиях при их изготовлении последующая их периодическая поверка на месте использования затруднена. Это объясняется невозможностью использования для контроля естественных типовых источников пламени, поскольку это может привести к возгоранию (взрыву) самого защищаемого объекта. В работе описывается устройство для проверки работоспособности оптоэлектронных датчиков пламени и взрыва, реализующих для идентификации излучения очага пожара принцип как спектральной, так и частотной селекции. Отличительной особенностью разработанного устройства является возможность тестирования датчиков, реагирующих на различные типы очагов пламени и установленных на объектах повышенной пожаро- и взрывоопасности. Удобство наведения устройства на тестируемые датчики обусловлено наличием в спектре тест-сигнала видимой составляющей, что, в свою очередь, достигается за счет использования прозрачных в видимой области спектра материалов, применяемых при изготовлении сменного оптического фильтра. Причем реализация режима освещения датчика без использования дополнительного оптического фильтра позволяет проверить его на наличие ложных срабатываний.
Наряду с тепловыми, дымовыми и другими типами датчиков в последнее время широкое распространение получили оптоэлектронные датчики пламени и взрыва. Наиболее информативными, с точки зрения задачи обнаружения очага пожара или взрыва, являются ближняя и средняя ИК области спектра. Здесь находятся спектры поглощения как самих горючих углеводородов, так и продуктов их горения — воды и углекислого газа.
В зависимости от принципов идентификации излучения, возникающего в результате пожара или взрыва, оптические датчики разделяют на две группы: использующие принципы частотной и спектральной селекции. Первая группа датчиков применяет тот факт, что интенсивность излучения пламени колеблется с частотой 2-20 Гц. Вторая группа фиксирует пламя и взрыв по наличию инфракрасного излучения в различных частях диапазона — от 0,8 до 4,8 мкм.
В большинстве случаев после настройки и проверки работоспособности инфракрасных датчиков пламени на специализированных стендах в заводских условиях при их изготовлении последующая периодическая поверка датчиков на месте использования затруднена. Сказанное объясняется невозможностью применения для контроля естествен-
ных типовых источников пламени, поскольку это может привести к возгоранию (взрыву) самого защищаемого объекта. Поэтому нет сомнений в том, что надежные, безопасные и удобные в использовании тестовые устройства для дистанционной проверки работоспособности датчиков пламени и взрыва в настоящее время весьма востребованы. В связи с этим обстоятельством ОАО "НИИ "Гири-конд" (г. Санкт-Петербург), где уже на протяжении многих лет разрабатываются и производятся инфракрасные датчики пламени и взрыва на основе полупроводниковых, многоспектральных, многоэлементных ИК-фотоэлементов, было уделено особое внимание разработке тестового осветительного устройства нового поколения.
Существующие в настоящее время приборы, как отечественного, так и зарубежного производства, для тестирования датчиков в системах пожаротушения и взрывоподавления не лишены ряда недостатков. Так, например, в источнике тест-сигнала [1] для формирования широкого спектра тестового излучения (от УФ до 10 мкм) используются три независимых источника излучения: аналог излучателя абсолютно черного тела с температурой 1600 К, источник УФ излучения и импульсная газоразряд-
ная лампа, причем для формирования спектра изучения, адекватного спектру пламени, внутренний объем излучателя — имитатора абсолютно черного тела заполнен смесью углекислого газа и паров воды. Для пропускания инфракрасного излучения до 10 мкм его окно выполнено из селенида цинка. Подобное устройство требует изготовления сложных и, соответственно, дорогих источников излучения, имеет большое энергопотребление, значительный вес и габариты.
Компания "Micropack" (Шотландия) предложила формирователь тест-сигнала в виде набора све-тодиодов, излучающих как в видимом, так и в ИК-диапазоне спектра, обеспечив таким образом необходимый для проверки датчика пламени спектр тестового излучения [2]. Поскольку в настоящее время спектр выпускаемых светодиодов ограничен диапазоном 450-1500 нм, это устройство непригодно для контроля инфракрасных датчиков пламени, срабатывающих от воздействия пламени, излучающего в диапазоне 1,5-4,5 мкм.
Некоторые производители выпускают тест-устройства, ориентированные на применение с определенными специфическими сериями датчиков, например формирователь TL105, работающий в импульсном режиме, и детекторы серии FL3000/3100, FL4000 фирмы "General Monitors" (США), реализующие принцип частотной селекции [3]. Также существуют приборы, при использовании которых возникают некоторые трудности с наведением пятна на цель ввиду отсутствия в тест-излучении составляющей видимой части спектра. В этом случае возможно применение лазерных прицелов или коллиматоров, которые, в свою очередь, потребуют периодической проверки точности наведения инфракрасного потока по приспособлениям прицеливания.
Как было отмечено, в оптоэлектронных датчиках реализуются несколько принципиальных подходов для обнаружения очага возгорания. В работах [4, 5] показано, что наиболее информативным и надежным методом регистрации пожара является метод спектральной селекции, а наиболее перспективными датчиками пламени и взрыва выступают такие, в которых в полной мере реализован именно этот принцип.
Принцип спектральной селекции реализуется в приборах, имеющих чувствительность в нескольких спектральных поддиапазонах. В общем случае для извещателей пламени это три поддиапазона (рис. 1). Первый — с максимумом чувствительности в области 1 мкм — соответствует области излучения посторонних искусственных и естественных коротковолновых источников. У второго два максимума — около 2,8 и 4,3 мкм. Они соответствуют из-
SX, отн. ед.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 X, мкм
Рис. 1. Спектральные характеристики чувствительности детектора и излучения формирователя тест-сигнала: 1, 2, 3 — первый, второй и третий поддиапазоны соответственно; 4 — спектр излучения формирователя тест-сигнала
лучению продуктов горения органических веществ: паров воды и углекислого газа. Третий — с максимумом чувствительности около 3,5 мкм — характерен для излучения от посторонних нагретых тел. Области чувствительности формируются при помощи многослойных интерференционных фильтров.
Очевидно, что дистанционная проверка тестовым устройством датчика, функционирующего по описанному принципу, возможна в том случае, когда спектр излучения тест-устройства адекватен спектру излучения очага пламени. Причем в зависимости от типа очага пламени будут ярче выражены те или иные особенности спектрального состава излучения пламени [5].
В разработанном устройстве спектральная инфракрасная имитация различных типов очагов пламени достигается за счет использования широкополосного источника света, спектральное распределение излучения которого модифицируется соответствующим образом при помощи оптического фильтра [6]. Осветителем в данном случае служит типовой портативный фонарь, удовлетворяющий следующим требованиям. Во-первых, конструктивные элементы фонаря должны обеспечивать необходимый световой поток в требуемом спектральном диапазоне. Во-вторых, осветительное устройство должно обеспечивать требуемый уровень безопасности при работе на взрыво- и пожароопасных объектах. И, наконец, желательно, чтобы фонарь был легким, небольшим, экономичным, высокоэффективным, поскольку он работает от автономных источников.
Сегодня на российском рынке представлен широкий ассортимент взрывозащищенных фонарей
Рис. 2. Проверка датчика тестовым устройством
Рис. 3. Формирователь тест-сигнала:
1 — корпус;
2 — электронный прерыватель;
3 — лампа накаливания;
4 — съемная насадка;
5 — интерференционный фильтр;
6 — входное окно;
7 — рефлектор;
8 — элемент питания
как отечественного, так и импортного производства. Но большинство из них в своей конструкции имеют либо достаточно толстое входное окно из органического материала, сильно поглощающее в инфракрасной области, либо светодиоды, дающие излучение только в видимой области. Автор статьи остановил свой выбор на серии безопасных переносных светильников "^аЪех" немецкой фирмы "СЕЛО" (рис. 2), которые наиболее близки по своим техническим характеристикам к требуемым.
Проблема удобства наведения осветительного устройства на тестируемый датчик решена за счет применения прозрачных в видимом диапазоне материалов, используемых при изготовлении многослойного интерференционного фильтра. С учетом требований к спектральным и эксплуатационным характеристикам оптического интерференционного фильтра в качестве материала подложки был выбран лейкосапфир, а в качестве пленкообразующих
материалов использовалась пара тугоплавких окислов: диоксид кремния (8Ю2) - диоксид циркония
(ао).
Вакуумное напыление оптического покрытия осуществляется на типовой вакуумной установке, имеющей два электронно-лучевых испарителя, при давлении в камере 410-3-610-3 Па и температуре подложки 300°С. Толщинапленки в процессе напыления контролируется "на просвет" с помощью системы фотометрического контроля.
Теоретический расчет показывает, что в зависимости от модификации пожарного извещателя для реализации требуемых спектральных характеристик при применении пары 8Ю2-2г02 в структуре интерференционного покрытия необходимо использовать от 25 до 30 слоев. Здесь следует отметить, что по сравнению с другими типами оптических фильтров (поглощающими стеклами, жидкостными, желатиновыми, дисперсионными, кристаллическими и пр.), интерференционные фильтры имеют неоспоримое преимущество в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик. Спектр излучения тест-устройства, применяемого для проверки работоспособности базового трехдиапазонного варианта извещателя, представлен на рис. 1.
Для тестирования датчиков пламени и взрыва, реагирующих на различные типы очагов возгорания, имеется возможность применять различные насадки с соответствующими интерференционными фильтрами, формирующими те идентифицирующие признаки, которые адекватны различным очагам возгорания (рис. 3). Также следует отметить, что разработанное устройство позволяет проверять не только датчики спектральной селекции. Включением встроенного электронного прерывателя имеется возможность переводить тест-фонарь в режим мерцания, создавая тем самым имитацию колебаний пламени, т.е. появляется возможность применить тест-фонарь для проверки и тех приборов, которые работают по принципу частотной селекции.
Таким образом, предложенное устройство позволяет быстро, надежно и достоверно проводить проверку оптоэлектронных датчиков пламени и взрыва различных конструкций. Удобство и достоверность наведения тест-излучения на цель обусловлены тем обстоятельством, что и видимая составляющая излучения, необходимая для наведения, и тестовое инфракрасное излучение сформированы одним широкополосным источником излучения, причем реализация режима освещения датчика без использования дополнительного оптического фильтра позволяет проверить его на наличие ложных срабатываний.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. 4864146 США, МКИ F23 № 5/08. Universal Fire Simulator / Steven E. Hodges, Mark Kern. — США: Santa Barbara Research Center. — № 076964.
2. Каталог продукции фирмы "Micropack", Шотландия (www.micropack.co.uk).
3. Каталог продукции фирмы "General Monitors", США (www.generalmonitors.com).
4. Дийков, Л. Электронно-оптические извещатели пламени. ИК-приемники нового поколения / Л.Дийков, Ф. Медведев, Ю. Шелехин [и др.] // Электроника. — 2000. — № 6. — C. 26-29.
5. Горбунов, Н. И. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы для систем обеспечения безопасности / Н. И. Горбунов, Л. К. Дийков, С. П. Варфоломеев [и др.] // Мир и безопасность. — 2005. — № 2. — C. 26-29.
6. Пат. 68738 РФ, МПКС08 В 29/00. Формирователь тест-сигнала для дистанционного контроля работоспособности инфракрасных датчиков пламени и взрыва /Л. К. Дийков, А. Н. Тро-пин. — Бюл. № 33, 2007.
Поступила в редакцию 20.03.08.
