CC BY
35
В. Р. КОЗУБОВСКИЙ, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник Ужгородского национального университета Министерства образования и науки Украины (Украина, 88000, г. Ужгород, ул. Подгорная, 46; e-mail: kozub@hotmail.com)
М. В. ФЕДАК, аспирант Ужгородского национального университета Министерства образования и науки Украины (Украина, 88000, г. Ужгород, ул. Подгорная, 46)
УДК 681.5:614.8
ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ И ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО ГАЗОВЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩАТЕЛЕЙ
Рассмотрены проблемные вопросы внедрения в производство газовых пожарных извещателей. Показано, что сертификационные испытания газовых извещателей являются необоснованно сложными и существенно отличаются от испытаний газосигнализаторов, хотя они имеют фактически одно и то же назначение — определение загазованности помещений. Показаны преимущества и недостатки газовых пожарных извещателей. Авторы считают, что широкому внедрению газовых пожарных извещателей может способствовать их использование в качестве приборов двойного назначения — для выявления пожара на ранних стадиях его развития и для определения загазованности помещений токсичными и пожароопасными газами и парами.
Ключевые слова: газовые пожарные извещатели; комбинированные пожарные извещатели; газосигнализаторы; сертификационные испытания; оксид углерода.
В последнее время большое внимание уделяется газовым пожарным извещателям (ПИГ) как приборам, выявляющим пожары на начальной стадии их развития [1,2]. Действительно, при низких температурах горения происходит неполное окисление углерода и выделяется большое количество угарного газа (СО) и дыма (несгоревшие частички углерода). Однако хорошо известные и широко используемые дымовые пожарные извещатели (ПИД) не позволяют выявить пожар на этапе тления вещества так быстро, как это могут сделать ПИГ по СО. Как мы уже говорили, дым — это несгоревшие частички, которые, будучи довольно тяжелыми, накапливаются внизу и поднимаются вверх к извещателям за счет конвекционных и диффузионных потоков, возникающих при значительном градиенте температур. Эти потоки довольно интенсивные только при условии значительного перепада температур, т. е. когда температура горения довольно высокая и начальный этап горения уже пройден. В случае же угарного газа он быстро поднимается вверх за счет броуновского хаотичного движения молекул. Действительно, молекулярный вес СО — 28, такой же, как и у азота, и эти газы быстро перемешиваются за счет хаотичного движения молекул. С учетом этих факторов разработан ряд международных стандартов — ISO 7240-8, EN 54-30, в которых определяются требования к газовым пожарным извещателям и приводятся методы их испытаний. Разработан также проект стандарта РФ ГОСТ Р 53325 с учетом требований
© Козубовский В. Р., ФедакМ. В., 2013
EN 54 и ISO 7240. Однако методы испытаний этих приборов необоснованно сложные и дорогие, что препятствует широкому внедрению ПИГ в производство.
Действительно, ПИГ являются, по сути, газосигнализаторами. Методика их испытаний достаточно хорошо отработана метрологическими службами. Для пожарных же сертификационных центров — это вещь в себе, и они не знают, как грамотно и с наименьшими усилиями провести испытания этих приборов. Поэтому сертификационные центры проводят испытания по стандартной методике, как и для дымовых пожарных извещателей. Однако в этих испытаниях в качестве контрольного прибора для определения концентрации СО используется газоанализатор СО, и с его помощью определяются все основные параметры ПИГ по СО. Иными словами, сам контрольный прибор испытывался как газоанализатор, ему приписывались определенные метрологические параметры, однако характеристик пожарного извещателя (ПИ) он не имеет: он не испы-тывался как ПИ, например, на влияние направления воздушного потока, скорости воздушного потока, мешающих компонентов, компонентов, образующихся при пожаре, и т. д., т. е. дополнительные погрешности газоанализатора от этих факторов влияния не определены. Погрешности же, указанные в технических параметрах газоанализатора по СО, например, от влияния температуры, не учитываются при испытаниях ПИГ по СО, как и другие дополнитель-
ные погрешности. Если де-юре считается, что параметры газоанализатора не зависят от этих факторов, то зачем же тогда проводить испытание ПИГ по СО по этим параметрам? Ведь он де-факто и есть такой же газоанализатор. Если предположить, что такая зависимость есть, то как мы можем тогда использовать газоанализатор в качестве контрольного прибора? Наверное, сначала его надо подвергнуть испытанию на влияющие факторы, определить дополнительные погрешности, а потом учитывать последние при проведении сертификационных испытаний ПИГ. Таким образом, возникает много вопросов, которые не находят своего решения в принятых нормативных документах.
Давайте вкратце рассмотрим требования и методы испытаний, заложенные в этих стандартах, и их целесообразность. Начнем с ISO 7240-8:2007 [3],
а именно с плана испытаний (табл. 1 [3]) и основного испытательного оборудования — канала СО (рис. 1). Необходимо отметить, что этот стандарт описывает случай мультисенсорного извещателя (СО + тепло). Что касается тепла, то мы не будем рассматривать в этой статье требования к тепловым извещателям и методы их испытаний, так как они общеизвестны.
Первое, что бросается в глаза, — это большое количество образцов (24). Для сравнения при проведении сертификационных испытаний газосигнализаторов метрологам необходимы 3 образца, а при отказе одного из образцов — удвоенная партия, т. е. всего 9.
Далее, как мы уже говорили, СО распространяется за счет хаотичного движения молекул. В связи с этим возникает ряд вопросов. Зачем тогда нужно
Таблица 1. План испытаний (ISO 7240-8 [3])
Испытание Раздел Номер образца
1. Повторяемость (СО) 5.2 Произвольно выбранный
2. Зависимость от направления (СО) 5.3 Произвольно выбранный
3. Воспроизводимость (СО) 5.6 Все образцы
4. Перекрестная чувствительность 5.8 1
5. Долговременная стабильность (СО) 5.9 4
6. Насыщение (СО) 5.10 2
7. Склонность к влиянию химических компонентов, которые могут присутствовать при пожаре 5.11 3
8. Изменение параметров электропитания 5.12 5
9. Воздушный поток 5.13 6
10. Сухое тепло (стойкость) 5.14 7
11. Холод (стойкость) 5.15 8
12. Влажное тепло, циклический режим (стойкость) 5.16 9
13. Влажное тепло, постоянный режим (прочность) 5.17 10
14. Низкая влажность, постоянный режим (прочность) 5.18 11
15. Коррозионное влияние диоксида серы 802 (прочность) 5.19 12
16. Толчок (стойкость) 5.20 13
17. Удар (стойкость) 5.21 14
18. Вибрация синусоидальная (стойкость) 5.22 15
19. Вибрация синусоидальная (прочность) 5.23 15
20. Электромагнитная совместимость (ЭМС), испытание на защищенность (стойкость): 5.24
электростатический разряд 16*
излучение электромагнитного поля 17*
кондуктивные препятствия, вызванные электромагнитными полями 18*
пачки коротких переходных импульсов 19*
медленные броски напряжения большой энергии 20*
21. Чувствительность к пожару 5.25 21, 22, 23, 24
* С целью упрощения испытаний разрешено использовать тот же образец для нескольких испытаний на ЭМС. В таком случае промежуточные функциональные испытания на образцах, используемых более чем для одного испытания, можно исключить, и функциональное испытание можно проводить в конце такой серии испытаний. Однако следует отметить, что в случае отказа трудно будет определить, при каком именно испытании произошел отказ.
700
ности ПИГ
создавать ламинарный поток в канале СО? Зачем проводить испытание чувствительности прибора в зависимости от направления потока? Нужно ли размещать в канале СО контрольный прибор по СО, если для испытаний используются проверочные газовые смеси (ПГС)? Тем более что при такой конструкции газового канала необходимо большое количество ПГС, которые, как известно, довольно дорогие.
Стенд "газовый канал" состоит из аэродинамической трубы закрытого типа со специальным устройством введения определенной концентрации газов. Причем концентрация вводимых газов должна быть однородная по всему объему измерительной зоны. Поперечное сечение аэродинамической трубы стенда "газовый канал" должно быть не менее 300x300 мм. Длина измерительной зоны стенда должна быть не менее 700 мм. Стенд должен обеспечивать возможность поддержания температуры контролируемой среды от минус 10 до +55 °С, а также создание скорости воздушного потока от (0,20+0,04) до (1,00+0,04) м/с с помощью регулятора скорости 10.
В измерительной зоне стенда "газовый канал" в отсек с крышкой 2 со стеклянным обзорным окном устанавливается испытуемый ПИГ 5. Для его установки используется плита с поворотным устройством 4. Создание воздушного потока с заданным направлением 7 в объеме камеры осуществляется с помощью вентилятора 1. Поддержание температуры в середине испытательной камеры обеспечивается электронагревателем и холодильником 9. Ли-неаризатор 8 предназначен для равномерного распределения газа по поперечному сечению и для выравнивания воздушного потока. Контроль температуры осуществляется с помощью датчика температуры 6, установленного на расстоянии, не превышающем 20 мм от испытываемого ПИГ, контроль скорости воздушного потока—с помощью измерителя скорости воздушного потока 3, контроль концентрации газа — с помощью газоанализатора по СО. Для продувки канала служит вентиляционное отверстие 11.
Действительно, обычно газовый канал имеет размеры 1,5x3 мпри сечении самого канала 0,09-0,15 м2, т. е. объем канала составляет 1,7-2,0 м3. Для того чтобы продуть канал, необходим трехкратный объем воздуха. Кроме того, очевидно, что такую конструкцию канала тяжело сделать герметичной. Таким образом, для снятия одной точки для одного образца необходимый объем ПГС составляет приблизительно 15 м3, а таких точек более 100. Значит, минимальная потребность в ПГС оксида углерода — 1500 м3, т. е. необходимо 2 баллона ПГС (один — на срабатывание ПИГ, другой — на несрабатывание) по 40 л под давлением 75 атм. А если учесть испытание на перекрестную чувствительность и на продукты сгорания, которые образуются при пожаре, то потребуется еще 12 ПГС разных газов (паров).
И уж совсем непонятно, как в таком канале проводить испытание на перекрестную чувствительность по восьми газовым компонентам, если одно испытание длится 96 ч. И это при отсутствии полной герметичности канала.
Теперь рассмотрим вариант, когда используется ПГС значительной концентрации, скажем 0,1 % об. СО, а концентрация срабатывания (25-75 мкл/л) достигается за счет медленного увеличения концентрации в канале со скоростью 1-6 мкл/(л-мин). Скорость потока в канале 0,2 м/с. Тогда минимальное время для достижения концентрации 75 мкл/л составит 12,5 мин; при скорости потока 0,2 м/с (12 м/мин) и для сечения канала 0,15 м2 получим около 22 м3 ПГС. Конечно, в случае относительной герметичности канала и циркуляции ПГС затрата ПГС на одну точку будет приблизительно такой же (15 м3). Таким образом, при проведении испытаний по ISO 7240-8 необходимо дорогостоящее оборудование и огромное количество ПГС.
Если рассматривать проект ГОСТ Р 53325 "Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний", то его составители значительно упростили методы испытаний, хотя в проекте стандарта много неточностей (например, неясно, что такое скорость нарастания 6 ppm) и непонятных требований (например, как подавать на ПИГ концентрацию газа, способную вызвать срабатывание ПИГ в климатической камере, и какую концентрацию — может, соответствующую концу диапазона срабатывания?).
Действительно, вместо 24 образцов мы имеем 6, вместо 21 вида испытаний (см. табл. 1) —17; огневых испытаний тоже стало меньше (табл. 2). Но основные проблемы остаются: необоснованно сложное испытательное оборудование и большое количество ПГС.
Что можно порекомендовать в такой ситуации? Во-первых, мы бы порекомендовали сначала под-
Таблица 2. Программа сертификационных испытаний ПИГ (проект ГОСТ Р 53325)
Номер пункта Номер образца извещателя
Испытание Технические требования Метод испытаний 1 2 3 4 5 6
1. Огневые испытания 4.2.1.4 Прил. А - - + + + +
2. Стабильность 4.12.1.2 4.12.3.1 +
3. Зависимость чувствительности ПИГ от направления воздушного потока 4.12.1.4 4.12.3.2 - - + - - -
4. Повторяемость, оптическая индикация режимов работы 4.12.1.3, 4.2.5.1 4.12.3.3 + + + + + +
5. Устойчивость к воздушным потокам 4.12.1.5 4.12.3.4 - + - - - -
6. Устойчивость к насыщению 4.13.1.6 4.12.3.5 - - + - - -
7. Изменение напряжения питания. Устойчивость. Приоритет сигнала срабатывания* 4.2.1.5, 4.2.1.7 4.4.1,4.4.8.2, 4.13.3.6 - - - - + -
8. Проверка уровня звукового давления сигнала* 4.2.1.6 4.4.8.1 + + + + + +
9. Сухое тепло. Устойчивость 4.2.2.1 4.12.3.7 +
10. Холод. Устойчивость 4.2.2.2 4.4.2,4.12.3.8 - + - - - -
11. Влажное тепло, постоянный режим. Устойчивость 4.2.2.3 4.4.3,4.12.3.9 - - - - + -
12. Прямой механический удар. Устойчивость 4.2.2.6 4.4.4,4.12.3.10 - - + - - -
13. Синусоидальная вибрация. Устойчивость 4.2.2.4 4.4.5,4.12.3.11 - - - + - -
14. Электрическая прочность 4.2.2.7 4.4.7 - - - - + -
15. Сопротивление изоляции 4.2.2.8 4.4.7 - - - - + -
16. Электромагнитная совместимость 4.2.3 4.4.6,4.12.3.12 - - + - - -
17. Пожарная безопасность 4.2.9.2 4.4.9 +
* Испытания проводят для извещателей пожарных автономных.
ключить к испытаниям метрологов и испытать ПИГ, как и все другие газосигнализаторы. Во-вторых, необходимо упростить газовый канал: изъять линеа-ризатор (подача газа на чувствительный элемент диффузная); изъять газоанализатор (использовать ПГС на срабатывание — 75 ррт и на несрабатывание — 25 ррт или второй вариант — использовать ПИГ с оцифратором и аттестовать (поверить) ПИГ у метрологов перед проведением испытаний, ведь он сам, по сути, является газоанализатором); изъять датчик температуры в случае, если испытывается мультисенсорный извещатель (СО + тепло), и использовать встроенный в ПИГ датчик температуры и оцифратор; изъять вентилятор, а ПГС подавать из баллона под давлением через ротаметр: зная скорость подачи ПГС и сечение канала, можно установить желательную скорость потока в канале; уменьшить поперечное сечение канала, например до удвоенного сечения ПИГ (ламинарный поток газа не нужен). После всего этого конструкция канала значительно упростится, необходимый для испытаний объем ПГС уменьшится до разумных границ (учитывая стоимость ПГС). Размер канала разрешит устанавливать его в климатическую камеру и проводить там температурные испытания, тогда
не нужен будет обогреватель и холодильник в канале. Испытания на мешающие компоненты и на перекрестную чувствительность можно проводить в эксикаторе: установить в эксикатор ПИГ, продуть его необходимой концентрацией газа, закрыть краны эксикатора и выдержать в нем извещатель необходимое время.
При испытаниях на чувствительность к пожару можно также в качестве контрольного газоанализатора использовать поверенный (аттестованный) метрологами ПИГ с оцифратором.
Таким образом, мы предлагаем упростить и уменьшить стоимость сертификационных испытаний, сделать их доступными для производителей этого типа приборов.
Ниже приведена конструкция разработанного нами газового канала СО (рис. 2), а также результаты проведенных нами испытаний образцов мульти-сенсорных пожарных извещателей (СО + тепло) СПКГТ-01 производства ПП "Артон" (Украина).
В извещателе использовался в качестве датчика тепла полупроводниковый терморезистор КН16-3Н103, а в качестве газового сенсора — металлооксидный (Бп02) полупроводниковый сенсор СО ТОБ 2442 фирмы "Фигаро" (Япония).
Рис. 2. Газовая испытательная камера, рабочая секция (вид сбоку): 1 — баллон с ПГС; 2 — вентиль тонкого регулирования; 3 — ротаметр РМ-А-0,1г УЗ; 4 — линеаризатор; 5 — воздушный поток; 6 — испытываемый извещатель; 7 — рабочий объем; 8 — оцифратор сигнала извещателя; 9 — обводной канал
Лабораторные испытания извещателя СПКГТ-01 проводились согласно разработанным в НИИ средств аналитической техники Ужгородского национального университета (САТ УжНУ) ТУ В 30.5-30150047-031: 2012 (далее — ТУ), которые распространяются на извещатели пожарные комбинированные газовые и
Таблица 3. Основные характеристики извещателя СПКГТ-01
Параметр Норма
Номинальное напряжение питания, В 12,6
Потребляемая мощность в рабочем режиме, Вт, не более 0,5
Степень защиты оболочки (по ГОСТ 14254) IP30
Габаритные размеры, мм, не более:
диаметр 100
высота 55
Масса, кг, не более 0,3
Рис. 3. Извещатель СПКГТ-01: 1 — светодиод; 2 — плата МЦИ 301411.015; 3 — поддон МЦИ 711431.032; 4 — крышка МЦИ 725325.025; 5 — газовый сенсор; 6—сенсор тепла
тепловые, предназначенные для предупреждения пожаров на ранних стадиях, выдачи светового сигнала, а также для коммутации внешних электрических цепей при достижении установленных пороговых значений концентрации оксида углерода (угарного газа) и температуры. Проверка тепловых параметров проводилась на базе ПП "Артон". Результаты проверки оказались успешными. Однако поскольку методы тепловых испытаний являются общепринятыми, результаты тепловых испытаний здесь не приводятся.
Основные характеристики извещателя СПКГТ-01 приведены в табл. 3, а его устройство — на рис. 3.
Проверка на время срабатывания извещателя (п. 5.2 ТУ) (скорость роста концентрации 6 мкл/(л*мин), порог срабатывания в =50 мкл/л)
Извещатель был установлен в канале СО в нормальном рабочем положении с помощью обычных средств крепления. Относительно направления воздушного потока он был установлен в таком положении, в котором во время испытаний на зависимость его чувствительности от направления потока было зафиксировано наименьшее значение. Перед каждым измерением канал СО продувался чистым воздухом, чтобы концентрация СО в канале была менее 1 мкл/л. Скорость воздушного потока во время измерений вблизи извещателя составляла (0,2+0,04) м/с.
Во время проведения всех измерений извещате-ля температура воздуха в канале поддерживалась (23+5) °С. Извещатель был присоединен к его блоку питания и к оцифратору для контроля нарастания концентрации СО и стабилизирован на протяжении как минимум 15 мин. Оксид углерода вводился в канал таким образом, чтобы скорость роста концентрации СО была приблизительно 6 мкл/(л мин), пока образец не перейдет в состояние срабатывания. Испытание прекращалось, когда концентрация СО достигала 100 мкл/л.
Концентрация СО, зарегистрированная в момент выдачи извещателем сигнала тревоги, была принята за порог срабатывания СО 5. Время срабатывания по СО оценивалось как время, необходимое для выдачи сигнала тревоги при росте концентрации СО от начального момента до точки, в которой изве-щатель срабатывает. Измеренное время срабатывания извещателя по СО было записано как ТСО.
Результаты проверки являются положительными, если время срабатывания извещателя в пределах диапазона концентраций СО 25-75 мкл/л не превышает 12 мин (при скорости нарастания концентрации СО 6 мкл/(л-мин)). Результаты испытаний приведены в табл. 4.
Таблица 4. Проверка времени срабатывания извещателя
Параметр Требование ТУ Результат испытаний Вывод
Время срабатывания по СО <12 мин 8 мин 2 с Соответ.
Проверка на повторяемость показаний (п. 5.4 ТУ)
Значение порога срабатывания извещателя по СО измерялось 6 раз согласно п. 5.2 ТУ. Положение извещателя относительно направления воздушного потока было произвольным, но оставалось одинаковым во время проведения всех шести измерений. Максимальное измеренное значение порога срабатывания обозначалось как Стах, а минимальное _с
^тт'
Результаты проверки считались положительными, если чувствительность извещателя по СО оставались постоянной и отвечала следующим требованиям. Чувствительность извещателя должна оставаться постоянной даже после большого количества срабатываний. Минимальное значение порога срабатывания 5тЬ не должно быть менее 25 мкл/л; соотношение Стах: 5тЬ не должно превышать 1,6. Результаты испытаний приведены в табл. 5 и 6.
Проверка на зависимость
чувствительности ПИГ от направления воздушного потока (п. 5.5 ТУ)
Значение порога срабатывания испытанного образца измерялось 8 раз согласно п. 5.3 ТУ. Образец поворачивали после каждого измерения на 45° вокруг его вертикальной оси так, чтобы измеренные значения отвечали восьми разным положениям относительно направления воздушного потока. Максимальное измеренное значение порога срабатывания по СО обозначалось как Стах, а минимальное — 5тЬ. Оба положения, в которых были измерены максимальное и минимальное значения порога срабатывания, фиксировались.
Таблица 5. Порог срабатывания извещателя по СО
Номер испытания 1 2 3 4 5 6
Порог срабатыва-
ния, мкл/л 48 48 48 48 49 48
Таблица 6. Результаты испытаний на повторяемость показаний извещателя по СО
Параметр Требование ТУ Результаты испытаний Вывод
^да мкл/л >25 48 Соответ.
мкл/л - 49 -
S • S max min >1,6 1,02 Соответ.
Таблица 7. Порог срабатывания извещателя по СО в зависимости от его положения относительно направления воздушного потока
Положение, град 0 90 180 270
Порог срабатывания по СО, мкл/л 48 49 48 48
Таблица 8. Результаты испытаний извещателя на зависимость чувствительности от направления воздушного потока по СО
Параметр Требование ТУ Результаты испытаний Вывод
Smin, мкл/л >25 48 Соответ.
Smax, мкл/л - 49 -
S • S max min <1,6 1,02 Соответ.
Во время дальнейших испытаний положение, в котором было измерено максимальное значение порога срабатывания, должно обозначаться как положение с наименьшей чувствительностью, а положение с минимальным значением порога — как положение с наибольшей чувствительностью.
Результаты проверки считались положительными, если чувствительность извещателя отвечала следующим требованиям. Чувствительность извещателя СО не должна зависеть чрезмерно от направления потока воздуха вблизи извещателя. Минимальное значение порога срабатывания Smin не должно быть менее 25 мкл/л; соотношение Smax: Smin не должно превышать 1,6.
Результаты испытаний приведены в табл. 7 и 8.
Проверка на воспроизводимость показаний ПИГ (п. 5.8 ТУ)
Значение порога срабатывания каждого из испытываемых извещателей измерялось согласно п. 5.2 ТУ. Среднее арифметическое полученных значений порога срабатывания по CO обозначалось как Save. Максимальное измеренное значение порога срабатывания обозначалось как Smax, минимальное—Smin.
max min
Результаты испытаний считались положительными, если чувствительность извещателя не отличалась чрезмерно от образца к образцу. Минимальное значение порога срабатывания Smin не должно быть менее 25 мкл/л. Соотношение Smax: Save не должно превышать 1,33; соотношение Save:Smin— 1,5.
Результаты испытаний приведены в табл. 9 и 10.
Таблица 9. Порог срабатывания по СО
Номер образца 1 2 3 4 5
Порог срабатыва-
ния СО, мкл/л 46 48 48 48 49
Таблица 10. Результаты испытаний на воспроизводимость показаний
Таблица 12. Результаты испытаний на перекрестную чувствительность
Параметр Требование ТУ Результаты испытаний Вывод
¿тда мкл/л >25 46 Соответ.
¿тах мкл/л - 49 -
мкл/л - 47,8 -
с • 5 ита^' иауе <1,33 1,025 Соответ.
5 • 5 ауе тт <1,5 1,04 Соответ.
Проверка на перекрестную чувствительность (п. 5.10 ТУ)
Перед началом испытания извещатель был установлен в испытательную газовую камеру в нормальном рабочем положении с помощью стандартных средств крепления. Перед началом каждого испытания испытательная газовая камера проветривалась, с тем чтобы перед началом каждого испытания концентрация оксида углерода и испытательного газа в ней была менее 1 мкл/л. Скорость воздуха вблизи образца составляла (0,2+0,04) м/с на протяжении всего измерения. Температура воздуха в канале была (23+5) °С на протяжении всего испытания.
Извещатель был соединен с оборудованием электропитания и контроля согласно ТУ, образец стабилизировался на протяжении не менее 15 мин. В газовую испытательную камеру вводился определенный газ, чтобы его концентрация достигла приведенного в табл. 11 значения в течение 10 мин. Извещатель стабилизировался на протяжении 1 ч при достигнутой концентрации газа. Перекрестная чувствительность определялась при наиболее чувствительном положении извещателя.
Извещатели должны противостоять влиянию загрязнителей атмосферы или химическим компонентам, которые могут присутствовать в процессе эксплуатации. Извещатели не должны выдавать сигнал тревоги или неисправности во время их воздействия. Извещатели также не должны выдавать
Таблица 11. Концентрация газов и паров
Номер ПГС Химический компонент Концентрация, мкл/л Время, ч
влияния восстановления
1 Оксид углерода 15 ±10% 24 1-2
2 Диоксид азота 5 ±10% 96 1-2
3 Диоксид серы 5 ±10% 96 1-2
4 Хлор 2 ±10 % 96 1-2
5 Аммиак 50 ±10% 1 1-2
6 Гептан 100 ±10% 1 1-2
7 Этанол 500 ±10% 1 24-25
8 Ацетон 1500 ±10% 1 24-25
Химический компонент Концентрационное влияние, мкл/л Соответствие ТУ
С2Н5ОН 500 Соответ.
щ, 50 Соответ.
сигнала тревоги или ошибки во время испытаний, если воздух свободен от СО.
Были проведены исследования воздействия паров спирта и аммиака на показания ПИГ и установлено, что данные вещества практически не влияют на работу ПИГ СПКГТ-01. Результаты испытаний приведены в табл. 12.
Проверка на устойчивость к насыщению (п. 5.17 ТУ)
Извещатель устанавливался в нормальном положении в испытательную газовую камеру и закреплялся с помощью стандартных средств крепления. Ориентация извещателя относительно направления воздушного потока соответствовала его наименьшей чувствительности, которая определялась во время испытаний на зависимость от направления воздушного потока.
Перед началом каждого испытания испытательная газовая камера продувалась чистым воздухом, с тем чтобы концентрация оксида углерода в ней была менее 1 мкл/л. Скорость воздушного потока вблизи извещателя составляла (0,2+0,04) м/с на протяжении всего испытания. Температура воздуха в канале была (23+5) °С на протяжении всего испытания.
Извещатель соединялся с оборудованием электропитания и контроля согласно ТУ и стабилизировался на протяжении не менее 15 мин.
Оксид углерода вводился в газовую испытательную камеру так, чтобы скорость нарастания концентрации была 50 мкл/(л-мин) до достижения значения концентрации 500 мкл/л. Эта концентрация поддерживалась в течение 2 ч. После завершения воздействия извещатель восстанавливался в стандартных рабочих условиях на протяжении 4 ч. Затем измерялось значение порога срабатывания по СО согласно п. 5.2 этих ТУ. Наибольшее из значений порога срабатывания по СО, измеренное в этом испытании и в испытании на воспроизводимость этого же извещателя, обозначалось как Стах, а наименьшее — как 5"тт.
Извещатели должны противостоять влиянию высоких концентраций оксида углерода, образующихся во время пожара. Извещатели должны быть в режиме срабатывания во время воздействия и могут генерировать сигнал тревоги в течение приблизи-
Таблица 13. Результаты испытаний на устойчивость к насыщению
Параметр Требование ТУ Результаты испытаний Вывод
^тт мкл/л - 48 -
^щ» мкл/л - 49 -
5 • 5 тах" тт <1,6 1,02 Соответ.
тельно 1 мин после того, как будут помещены в стандартные рабочие условия в конце периода воздействия. Наиболее низкое значение порога срабатывания 5т1п не должно быть менее 25 мкл/л; соотношение £тах:5т;п не должно превышать 1,6. Результаты испытаний приведены в табл. 13.
Проверка на долговременную стабильность (п. 5.11 ТУ)
Четыре извещателя были соединены с соответствующим оборудованием питания и контроля согласно ТУ и размещены на 84 дня в помещении, свободном от СО и атмосферных загрязнителей. Значения порога срабатывания СО снимались, как описано в п. 5.2 ТУ, на 28; 56 и 84-й день с начала испытания. Наибольшие из значений, измеренных в этом испытании и для того же самого извещателя в испытаниях на воспроизводимость, были зафиксированы как 5тах, наименьшие — как 5Щь.
Порог срабатывания извещателя не должен изменяться на протяжении продолжительного периода времени. Наиболее низкое значение порога срабатывания не должно быть менее 25 мкл/л; соотношение 5тах:не должно превышать 1,6. Результаты испытаний приведены в табл. 14 и 15.
Таким образом, мы видим, что проведенные испытания ПИГ на такие факторы, как направление воздушного потока, показали, что они не влияют су-
Таблица 14. Показания извещателей
Номер 5, мкл/л
образца 28-й день 56-й день 84-й день
1 49 50 49
2 47 48 48
3 50 48 48
4 49 47 48
Таблица 15. Результаты испытаний на долговременную стабильность
Параметр Требование ТУ Результаты испытаний Вывод
^тт мкл/л > 25 47 Соответ.
^ш» мкл/л - 50 -
5 • 5 тах" тт <1,6 1,06 Соответ.
щественно на порог срабатывания ПИГ. Методика проведения остальных испытаний аналогична той, которая применяется и в случае газосигнализаторов. Следовательно, ПИГ можно сертифицировать как средство измерения концентрации СО на основе результатов испытаний ПИГ и только после этого его можно применять в качестве прибора для контроля загазованности помещений СО.
Далее мы рассмотрим расчетные модели процессов диффузии СО, которые также подтверждают отсутствие необходимости включать в перечень испытаний зависимость показаний ПИГ от направления и скорости (в разумных пределах) воздушного потока.
В действующих нормативных документах заложена упрощенная методика, которая не учитывает динамики распространения концентрации газа для ПИГ. В настоящее время благодаря широкому использованию вычислительной техники можно получить реальную картину массообмена в помещении в реальном времени и в трехмерном пространстве и легко моделировать любые аварийные ситуации. На основании таких расчетов можно рационально размещать ПИГ.
Для описания однонаправленной диффузии в бинарной смеси используется закон Фика Jd = = -В(Ас)/(йх) (где В — коэффициент диффузии). Коэффициент диффузии принят постоянным, так как он незначительно зависит как от состава смеси, так и от давления и температуры: В = 3200 м2/с.
Пространство, на котором изучается процесс распространения исследуемого газа, представляется как некоторое пространство заданных размеров (6x9x4 м — размер комнаты тестовых пожаров), разбитое на прямоугольные элементы. Размер каждого элемента выбирался из условия допущения о равномерности распределения концентрации газа в пределах элемента. Уравнение материального баланса составлялось для каждого элемента, представляющего собой сечение горизонтальной и вертикальной полос. Размеры этого элемента определяются из условия достижения нужной точности моделирования.
Источник газа, смоделированный в центре комнаты, представляет собой круг радиусом 20 см, через который в помещение поступает газ (СО) с концентрацией 75 мкл/л со скоростью 0,005 м3/с (рис. 4).
Предельные условия описывают в данном случае свойства самого пространства, выраженные в изменении коэффициента диффузии: например, в каких-то точках пространства коэффициент диффузии равняется 0 (непроницаемая перегородка).
Решение задачи проводилось конечно-разностным методом. Для одного элемента составлялось уравнение материального баланса, которое учитывает закон Фика, и уравнение переноса (д])/(дх) = (5с)/(5?).
Рис. 4. Распространение СО с концентрацией 75 мкл/л в помещении 6x9x4 м за счет диффузии (показаны фронты с концентрацией 50 мкл/л с указанием времени достигнутого ими положения в трех взаимно перпендикулярных плоскостях)
Шаг времени принят равным 0,02 с. Решение задачи представляет собой многошаговый процесс расчета искомых концентраций для каждого элемента исследуемого пространства. Концентрация рассчитывается с помощью рекуррентных формул, которые отображают процесс распространения газа под влиянием диффузии. Эти формулы представляют собой конечно-разностную интерпретацию дифференциальных уравнений и описывают математическую модель исследуемого процесса. Модель построена таким образом, чтобы в результате моделирования было установлено распределение концентраций газа в заданном пространстве.
Как видим, диффузионное распространение сигнальных концентраций угарного газа происходит довольно быстро даже при отсутствии конвекционных потоков от пожара. Таким образом, нет необходимости создавать ламинарный поток со скоростью 0,2 м/с для проверки характеристик образца, как и исследовать зависимость показаний от направления этого потока.
В заключение остановимся на преимуществах и недостатках ПИГ СО.
1. Наиболее эффективны ПИГ СО на начальных стадиях развития большинства пожаров, если пожар развивается медленно, материал тлеет и регистрируются довольно высокие уровни концентрации оксида углерода. При переходе пожара к стадии открытого пламени уровень концентрации СО падает.
2. При полном сгорании материалов, которые содержат углерод, или в случае быстрого развития пожара при достаточной концентрации кислорода наблюдаются обычно низкие уровни угарного газа, поскольку происходит процесс полного сгорания, и выделяются пары воды и диоксид углерода. При пожаре в закрытых помещениях количества посту-
пающего воздуха может быть недостаточно для развития пожара, и в этом случае происходит выгорание кислорода в воздухе и концентрация СО увеличивается.
3. В сравнении с дымовыми извещателями пожарный газовый извещатель СО дополнительно выигрывает в быстродействии благодаря тепловым конвекционным потокам, образующимся при пожаре. Эти потоки способствуют быстрому распространению СО и достижению им чувствительного элемента детектора. Как отмечалось ранее, оксид углерода имеет удельную плотность, близкую к плотности воздуха, и размеры его молекул значительно меньше размеров частичек дыма, что приводит к более интенсивному процессу диффузии, быстрому рассеиванию СО в пределах помещений по сравнению с дымом. Это позволяет ПИГ СО работать более эффективно в местах, где присутствуют физические барьеры, балки, перегородки, ограничивающие распространение дыма. Кроме того, гравитационное поле Земли создает силу, которая способствует выталкиванию легких частиц наверх более тяжелыми частицами.
4. ПИГ СО, как и ПИД, построены по схеме прямого отсчета, т. е. погрешности от каждого функционального элемента складываются. Для ПИД такими элементами являются светодиод, фотодиод, камера рассеивания. Светодиод и фотодиод — полупроводниковые элементы, параметры которых сильно зависят от температуры. Кроме того, происходит их деградация со временем. Камера рассеивания быстро запыляется в реальных помещениях. Таким образом, ПИД является прибором с большим количеством степеней свободы и поэтому непредсказуем. Напротив, ПИГ СО имеет один функциональный элемент — датчик СО, параметры которого зависят от температуры и у которого происходит деградация полупроводникового чувствительного слоя или электрохимической ячейки. В полупроводниковом датчике имеется нагреватель чувствительного слоя, поэтому датчик легко можно термостабилизировать. Запыление и влияние агрессивных компонентов, мешающих газов устраняются с помощью угольного фильтра, установленного на входе воздуха в датчик СО. Таким образом, ПИГ СО на основе полупроводникового датчика имеет одну степень свободы (за счет деградации) и является вполне предсказуемым: деградация влияет на долговременную стабильность, скорость деградации незначительна и этот процесс однонаправленный — со временем увеличивается сопротивление чувствительного слоя.
5. ПИГ по СО рекомендуется располагать по правилам размещения газосигнализаторов легких газов, а именно: в верхней части помещения на расстоянии от потолка не более 0,5 м, исходя из условия максимальной площади, контролируемой одним
ПИГ, не более 100 м2. При большей площади помещения ПИГ устанавливаются с расстоянием между ними не более 10 м, на расстоянии от стенок помещения не более 5 м.
6. Дополнительно рекомендуется использовать комбинацию разных датчиков для ПИ, например газового и теплового. Это так называемые мультисен-сорные или комбинированные ПИ. Если мы рассмотрим чувствительность к пожару теплового и газового (СО) ПИ, то увидим, что они дополняют друг друга. Тепловой пожарный извещатель имеет хорошую чувствительность к процессам горения материалов (тип пожара ТП1, ТП4, ТП5, ТП6), а газовый (СО) — к тлению материалов (тип пожара ТП2, ТП3, ТП9). Поскольку эта комбинация очень удачная (охватывает все типы пожаров), относительно дешевая и надежная, то специально для этого типа комбинированных ПИ разработаны нормативные документы — ISO 7240-8, EN 54-30.
Выводы
Как мы видим, ПИГ с каналом СО являются приборами, гарантирующими выявление пожара на на-
чальных стадиях его развития (стадия тления материала). Методы испытаний ПИГ являются необоснованно сложными, и их необходимо максимально приблизить к методам испытаний других типов приборов газового анализа — газоанализаторов и газосигнализаторов. Кроме того, технические параметры ПИГ дают возможность их использования для выявления загазованности помещений токсичными и пожароопасными газами и парами для предотвращения отравления людей, улучшения пожарной безопасности помещений. Иными словами, ПИГ фактически являются приборами двойного назначения, и разработка единого ТУ на эти изделия (принцип "одно изделие — одно ТУ") и их дополнительная сертификация в качестве газосигнализаторов дадут возможность вместо двух приборов (ПИ и газосигнализатора) устанавливать один — ПИГ, используя при этом одну систему приема-контроля, что даст дополнительный экономический эффект. Комбинация теплового и газового каналов в одном ПИ позволит охватить все типы пожаров и будет наиболее эффективной для их выявления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Неплохое И. _Т.Выбор извещателя в зависимости от типа помещений и условий эксплуатации. Часть 1-3 // Технологии защиты. — 2012. — № 4-6.
2. Федорое А. В., ЧленоеА. Н., Лукьяненко А. А., Буцынская Т. А.,Демехин Ф. В. Системы и технические средствараннего обнаружения пожара. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2009. —158 с.
3. ISO 7240-8:2007. Системы обнаружения пожара и аварийной сигнализации. Часть 8. Пожарные датчики моноокиси углерода (угарного газа) с применением гальванического элемента в комбинации с датчиком температуры. — Введ. 15.08.2007 г.
Материал поступил е редакцию 16 апреля 2013 г.
= English
ISSUES OF DESIGN AND PRODUCTION IMPLEMENTATION OF GAS-SENSING FIRE DETECTORS
KOZUBOVSKIY V. R., Doctor of Technical Sciences, Leading Researcher, Uzhgorod National University, Ministry of Education and Science of Ukraine (Podgornaya St., 46, Uzhgorod, 88000, Ukraine; e-mail address: kozub@hotmail.com)
FEDAK M. V., Postgraduate Student, Uzhgorod National University, Ministry of Education and Science of Ukra ine (Podgornaya St., 46, Uzhgorod, 88000, Ukraine)
ABSTRACT
The issues of design and production implementation of gas-sensing fire detectors, combination fire detectors, are considered in this paper. It is shown that gas-sensing fire detectors with a carbon monoxide channel are devices that ensure fire detection during the early stages of its development (the stage of smoldering of a material). However, the certification procedure for gas-sensing fire detectors is unnecessarily complicated and differs considerably from that for gas alarms, even though the two serve virtually the same purpose: to determine the level of indoor gas contamination. Consequently, the testing methods for gas-sensing fire detectors should be converged as much as possible with those for other types of gas analysis devices, such as gas analyzers and gas alarms.
Moreover, the technical parameters of gas-sensing fire detectors allow them to be used for evaluating the level of indoor contamination by toxic, flammable, and explosive gases and fumes (provided that the channel for flammable gases is used) as well as for preventing human gas poisoning and improving fire and explosion safety of the premises. In other words, gas-sensing fire detectors are essentially dual-purpose devices and their additional certification as gas alarms will provide an opportunity to install, instead of two devices — the fire detector and gas alarm, just one device — the gas-sensing fire detector, using a single monitoring and receiving system, which offers an additional economic benefit. Advantages and disadvantages of gas-sensing fire detectors are shown. The authors believe that the combining of thermal and gas channels in one fire detector allows to comprise all types of fire and is the most effective for their detection in terms of cost and quality. Test results for the prototype combination detector SPKGT-01, based on the heat sensor (thermistor), and the semi-conductor sensor TGS 2442 of carbon monoxide are provided. Recommendations on how to simplify the testing methods and current testing equipment for gas-sensing fire detectors are given.
Keywords: gas-sensing fire detectors; combination detector; gas alarms; certification test; carbon monoxide.
REFERENCES
1. Neplokhov I. G. Vybor izveshchatelya v zavisimosti ot tipa pomeshcheniya i usloviy ekspluatatsii. Chast 1-3 [Choice of alarm detector depending from type ofpremises and operation conditions. Part 1-3]. Tekhnologiya zashchity — Technologies of Protection, 2012, no. 4-6.
2. Fedorov A. V., Chlenov A. N., Lukyanov A. A., Butsynskaya T. A., Demekhin F. V. Sistemy i tekhni-cheskiye sredstva rannego obnaruzheniya pozhara [Systems and means of early detection of fire]. Moscow, State Fire Academy of Emercom of Russia Publ., 2009. 158 p.
3. ISO 7240-8:2007. Fire detection and alarm systems — Part8: Carbon monoxide fire detectors using an electro-chemical cell in combination with a heat sensor.
Издательство «П0ЖНАУКА»
Представляет книгу
А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й ___И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010. -118 с.
В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.
Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.
121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru
