CC BY
12Рис. 7. Принципиальная схема автоматической пожарной защиты картера дизель-генератора
с тонкоплёночным сигнализатором: 1 - источник питания; 2- тонкоплёночный термосенсор;
3- импульсный усилитель; 4-усилитель формирователь; 5- электронная схема остановки дизеля; б- электродвигатель топливных насосов; 7- топливные насосы
Можно сделать вывод, что тонкоплёночные сенсоры, функционирующие на различных физических принципах, способны надёжно идентифицировать факт сверхраннего обнаружения по-жаровзрывоопасности в объектах топливно-энергетического комплекса [В].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поляков Ю. А, Митькина Е А. Тонкоплёночный термометр сопротивления // Приборы и техника эксперимента. 1961. - № 4. - С. 140-144.
2. Поляков Ю. А, Импульсный датчик для измерения теплообмена в ионизированном потоке газа // Теплофизика высоких температур. 1965. - № 5. - С. 752-757.
3. Поляков Ю. А, Методика измерения теплообмена в кратковременных процессах // Измерительная техника. 1969. - № 10. - С. 101-104.
4. Поляков Ю. А, Дегтярёв С. А, Иванов А. Е. Плёночный термопреобразователь импульсных потоков энергии // Известия АН СССР, Энергетика и транспорт. 19В2. - № 3. - С. 131-136.
5. Ярышев Н. А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - М.: Энергия, 1967. - 29В с.
6. Поляков Ю. А, Дегтярёв С. А, Клыгин А. В Анализ температурных характеристик плёночных термопреобразователей тепловых потоков // Теплофизика высоких температур. 19В2. - № 6. - С. 1169-1175.
7. Поляков Ю. А, Сафронов В. И. К вопросу определения теплофизических свойств тонкоплёночных покрытий и изоляций // Теплофизика высоких температур. 197В. - № 5. - С. 981-986.
В. Поляков Ю. А. Некоторые аспекты синтеза и реализуемости сенсоров раннего обнаружения по-жаровзрывоопасности // Материалы 16-й науч.-техн. конф. «Системы безопасности» - СБ-2007. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. - С. 11В-120.
УДК 621.316.В26
Ю. А. Поляков
доктор технических наук, профессор
Yu. Polyakov
РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СЕНСОРОВ
Предложен метод ранней диагностики пожаровзрывоопасности на основе разработанных и оптимизированных газодымовых сенсоров. Представлены результаты исследований их электрофизических и динамических характеристик. Опыты по натеканию дымовых газов и аэрозолей малой концентрации показали эффективность применения сенсорного инструментария для раннего обнаружения аномальной ситуации в энергообъектах.
Ключевые слова: газодымовые сенсоры, безопасность электрооборудования.
EARLY DIAGNOSIS OF FIRE ON THE BASIS OF MICROELECTRONIC SENSOR
A method for early diagnosis of fire on the basis of established and optimized gas and smoke sensors is given. The results of studies of the electrophysical and dynamic characteristics are presented. Experiments on the flue gases and aerosols efflux in small concentration showed the effectiveness of sensory tools for early detection of abnormal situations in power.
Keywords: gas and smoke sensors, electric equipment safety.
Введение
На различных объектах энергетики и в быту широкое использование электрических кабелей и электропроводов связано с повышением уровня пожарной опасности. При этом в последнее время при проектировании и эксплуатации энергетических комплексов отчётливо прослеживается тенденция значительного роста концентрации кабельных трасс в малом объёме кабельных коллекторов и проходок, обеспечивающих штатный режим функционирования энергообъектов. В этой связи повышается риск возникновения загорания и распространения пламени по кабельным коммуникациям.
Большинство энергетических и транспортных объектов следует отнести к потенциально опасным, высокорисковым сложным системам. Особую опасность представляют пожары на электростанциях, которые сопровождаются продолжительным периодом ликвидации и значительным материальным ущербом. Такие пожары имели место в кабельных коллекторах Смоленской и Экибазтузской ГРЭС, Красноярской ТЭЦ и на других энергосооружениях. Ущерб от пожаров в кабельных системах энергетического комплекса достигал почти 90 % от общих потерь от пожаров на этих объектах.
Во многих случаях аварийная ситуация на объектах энергетики создаётся вследствие перегрева и воспламенения изоляции от токовой перегрузки в результате подключения потребителей завышенной мощности или нарушения теплоотвода от кабельных линий. Несанкционированный нагрев электроизоляционных материалов на полимерной или волокнистой основе приводит к выделению легковоспламеняющихся продуктов при низкотемпературном пиролизе. При достижении температуры воспламенения происходит возгорание горючей изоляции и тепловой пробой, следствием которых является короткое замыкание в электрических цепях.
Согласно статистическим данным, причиной пожаров на автотранспортных средствах являются пожароопасные проявления неисправностей или нарушения правил эксплуатации электрооборудования. На кораблях речного и морского назначения наиболее часто наблюдается скрытое, постепенное развитие пожара. Это особенно характерно при неисправном электрооборудовании, а также при разрушении теплоизоляции элементов энергоустановок.
В магистральных газопроводах объектами повышенной пожаровзрывоопасности являются газоперекачивающие агрегаты (ГПА). Они характеризуются близким расположением природного газа к отсеку с двигателем, наличием нагретых поверхностей, где возможно возгорание от попадания масла на горячие места газотурбинного двигателя, и возможностью образования взрывоопасных концентраций природного газа в случае аварии. Пожарная опасность в отсеках ГПА обусловлена также наличием лакокрасочных покрытий и кабельной продукции.
Возникновение пожарной ситуации на АЭС может происходить внутри самой гермозоны реактора (даже если гермозона не разрушена) при загорании электрических кабелей и масла. При этом распространение огня возможно из гермозоны в прилегающие помещения реакторного блока через герметичные кабельные проходки в стене гермооболочки вследствие внутреннего перегрева кабелей. В ряде случаев в кабельных полуэтажах реакторного блока кабели проложены большими пучками на разных уровнях и в стеснённых условиях, что повышает риск возникновения пожароопасной ситуации.
На практике на защищаемых энергообъектах всегда имеется значительное количество горючих веществ и материалов, которые способны к тлеющему (беспламенному) режиму горения. Это в первую очередь относится к тепловому старению изоляции кабельных трасс и электропроводки.
В процессе развития пожара обычно выделяют три этапа: нагрев, тление и появление открытого пламени. Первые два этапа сопровождаются определёнными признаками, индикация которых позволяет предупредить возможность возгорания. В предпламенный период лишь появляются признаки нарушения штатного режима, т. е. идёт нарастание значений параметров, характеризующих источники воспламенения, до величин, при которых возможно воспламенение горючей смеси.
В результате, можно сделать вывод, что только сверхраннее обнаружение и предупреждение возгораний позволит радикально изменить существующую в энергетике ситуацию по защите объектов энергетического и транспортного назначения от огня.
Всесторонние эксперименты показали, что нагрев широко применяемых в качестве электроизоляции полимеров (полиэтилен, поливинилхлорид, резина, волокнистые композиции и др.) до температур, значительно меньших, чем температуры их воспламенения, приводит к появлению в окружающем воздухе аэрозольных частиц и продуктов термического разложения в виде смеси горючих газов. Характерной особенностью полимерных и изоляционных материалов кабельных линий является образование на данной стадии нагрева высокодисперсных аэрозольных частиц с размерами в диапазоне 0,01-0,1 мкм и, как показывают измерения [1], концентрация этих частиц всегда в 10-1000 раз больше, чем концентрация частиц того же размера, присутствующих в естественном фоне.
Следовательно, явление образования аэрозолей и дымовых газов при низкотемпературном пиролизе полимерных изоляций может быть использовано для надёжного обнаружения ранней стадии возгорания [2, 3]. Однако отечественные оптические дымовые пожарные извещатели светорассеивающего типа не обладают конструктивной чувствительностью к появлению высокодисперсных аэрозолей малых концентраций, которые образуются на самой начальной стадии тлеющего режима горения. Радиоизотопные сигнализаторы в силу наличия в них радиоизотопного источника не всегда являются предпочтительными при эксплуатации. Кроме того, большинство дымовых извещателей имеют порог срабатывания, соответствующий задымлённости окружающей среды с оптической плотностью на уровне 5 %. Этот параметр никак не соответствует условию раннего и сверхраннего обнаружения предвестников начала пожара.
Таким образом, сверхраннее обнаружение малых концентраций аэрозолей высокой дисперсности и дымовых газов, в частности, образующихся при термическом разложении и начальной стадии тлеющего горения изоляций, а также в условиях неконтролируемого их выделения при пиролизе полимерных веществ с повышением температуры, представляет собой актуальную задачу при разработке мероприятий противопожарной безопасности и надёжного экологического контроля воздушного бассейна окружающей среды. Опасность дыма обусловлена как его дисперсной фазой (наличием аэрозольных частиц), так и газообразными продуктами тлеющего горения.
Дым, образующийся при тлеющем режиме горения, опасен не только высокой температурой и токсичностью ряда продуктов горения, но и возможностью образования взрывоопасных смесей этих продуктов с воздухом.
Существует широкий диапазон дымовых газов, а также высокотоксичных продуктов разложения и горения, таких как СО, СО2, НС1, Н2Э, НСИ, которые также могут быть использованы как предвестники ранней стадии развития пожара или начала задымления среды. Эти горючие газы могут достигать взрывоопасных концентраций в окружающем воздухе за время, значительно меньшее времени срабатывания штатных сигнализаторов опасных концентраций.
Разработка и оптимизация газодымовых сенсоров Синтез сенсоров
В последние годы для раннего обнаружения малых концентраций аэрозолей и дымовых газов возник интерес к применению тонкоплёночных сенсоров (хемистеров), действие которых основано на хемосорбции химически активных газов на поверхности чувствительного слоя, являющегося широкозонным полупроводником /7-типа. Обмен электронами между зоной проводимости полупроводниковой плёнки и хемосорбированными молекулами газа а, как выяснилось, и аэрозольными частицами, приводит к модуляции электропроводимости металлооксидной плёнки. Благодаря выгодному отношению поверхности к объёму чувствительного элемента (ЧЭ), тонкоплёночные сенсоры адсорбционного типа обнаруживают конструктивную чувствительность к дымовым газам, при этом, в зависимости от концентрации аэрозольных частиц, проводимость сенсора изменяется в несколько раз [4, 5].
Развитие технологии микроэлектроники позволяет в настоящее время создавать довольно миниатюрные системы обнаружения и контроля быстроменяющихся процессов натекания аэрозолей
и токсичных и взрывоопасных газов весьма малых концентраций. Этот тип датчиков наиболее перспективен с точки зрения быстродействия и, что немаловажно, непосредственного преобразования детектируемого физического параметра в электрической сигнал. При этом тонкоплёночные сенсоры имеют малый вес и габариты; при их создании в полной мере могут быть использованы методы и приёмы технологии микроэлектроники: вакуумное напыление, фотолитография, осаждение плёнок окислов металлов различными методами. Всё это предопределяет массовое производство микроэлектронных преобразователей информации.
Исследования опытных модулей показали, что газодымочувствительность сенсоров на основе оксидных плёнок (таких как ЭпО2, 7пО, и др.) обусловлена изменением высоты межзёрен-ных потенциальных барьеров, высота которых * 0,3-1,0 эВ.
Динамические характеристики сенсора зависят от величины поверхностного барьера: чем он выше, тем меньше скорость электронного переноса, а следовательно, скорость реагирования сенсора. Применение в качестве ЧЭ металлооксидных тонкоплёночных композиций позволяет увеличить удельную поверхность контакта плёнки с газодисперсной средой и уменьшить время межфазовой диффузии.
Технология изготовления тонкоплёночного сенсора предусматривает формирование газодымочувствительного слоя методом магнетронного распыления в плазменном разряде переменного тока из порошковой мишени оксида. Перед нанесением ЧЭ завершающая операция приготовления подложки из диэлектрика заключалась в плазмохимической обработке в ВЧ - кислородной плазме. Изготовление электрических контактов к оксидной плёнке и нагревателю осуществлялось методом вакуумного термического нанесения слоя золота толщиной 0,5 мкм при температуре * 633 К, при давлении в камере 1,33 ■ 10-3 Па и скорости осаждения 15-20 нм/с. Формирование плёночного нагревателя на обратной стороне матрицы проводилось методом вакуумного термического напыления при температуре подложки 773 К. При толщине 0,2 мкм плёнка имела поликристаллическую структуру с размерами зёрен * 0,01 мкм. Резка пластин сапфира со сформированными плёнками проводилась на установке лазерного скрайбирования ЭМ-210. Размер одиночного пикселя после этого составлял 2х0,5х0,2 мм. Присоединение проволочных выводов к кристаллу сенсора осуществлялось методом термокомпрессии на установке ЭМ-4030. Сенсор размещался в корпусе, который представлял собой семиштырьковое стеклянное основание с защитной крышкой для транспортировки.
Разработанная конструкция газодымового сенсора представляла собой базовый модуль, состоящий из сапфировой матрицы толщиной 200 мкм, на одной стороне которой сформирован слой оксида цинка (или диоксида олова) толщиной 400 нм, а на обратной стороне размещён плёночный нагреватель из платины, выполняющий также функцию измерителя температуры и её контроля (рис. 1). Введение легирующих добавок островкового типа на поверхность оксидной плёнки повышает чувствительность сенсора к аэрозолям и дымовым газам вследствие появления дополнительных центров адсорбции. С этой целью были разработаны сенсоры на основе оксида цинка с катализатором на основе хлорида палладия и покрытые тонким слоем диоксида кремния. Эксперименты показали, что более высокую чувствительность имели сенсоры именно с этими материалами.
'/ У/ #'// '//'/у '//'// *//
?/ У/ у/ у, у,
1
2
3
Рис. 1. Конструкция металлооксидного полупроводникового сенсора:
1- чувствительный элемент; 2- подложка; 3- нагреватель; 4- плёночные электроды; 5- выводы
Оптимизация сенсора
Установлено, что существенное влияние на электрофизические характеристики сенсоров оказывают такие параметры технологического процесса, как скорость нанесения плёнки, режим термообработки тонкослойных композиций и материал легирующей добавки.
Исследовалась зависимость чувствительности интегральных сенсоров от скорости роста плёнки в процессе напыления. Различные скорости достигались изменением расстояния подложки от мишени.
Как показали исследования, коэффициент электропроводности ст непосредственным образом зависит от кристаллической структуры плёнки. На рис. 2 представлена зависимость относительной проводимости плёнки от скорости роста её при напылении. Наибольшей чувствительностью обладали плёнки при высоких скоростях роста (К > 2 нм/с). Этому способствовала высокая температура подложки. Была оптимизирована скорость роста плёнки до 3-4 нм/с, в результате чего были получены стабильные во времени мелкозернистые композиции (размер зерна 1015 нм) с высокой дефектностью межзёренных границ. Электронно-микроскопические исследования микрорельефа поверхности металлооксидных плёнок показали, что шероховатость поверхности не превышала « 20 нм.
ст/сттах
К, нм/с
Рис. 2. Зависимость относительной проводимости плёнки сенсора от скорости напыления при Т= сопб1 (ст - проводимость плёнки оксида цинка; сттах - проводимость плёнки при К= 2,5)
Известно, что с уменьшением толщины плёнки возникает размерный эффект, т. е. резкое уменьшение проводимости тонких плёнок. Прямыми измерениями для плёнок из оксида цинка и диоксида олова было установлено, что при толщине с!< 200 нм наблюдается резкое падение проводимости плёнки за счёт рассеивания электронов и дырок на внешних поверхностях плёнки, а также на границах её кристаллитов. На рис. 3 представлены результаты прямых измерений относительной проводимости плёнки из оксида цинка в зависимости от ее толщины. В этой связи за оптимальный размер была выбрана толщина 400 нм. С другой стороны, эксперименты показали, что при толщине ЧЭ с/> 500 нм чувствительность сенсора к дымовым газам и аэрозольным частицам падает, что объясняется увеличением диффузной длины.
ст/сттах
Ь нм
Рис. 3. Зависимость относительной проводимости плёнки сенсора от её толщины (ст - проводимость плёнки оксида цинка; стм - проводимость плёнки массива оксида цинка)
Выбор сапфира в качестве материала подложки диктовался требованием наименьшей объёмной теплоёмкости и высоким значением коэффициента температуропроводности.
Анализ краевой задачи нестационарной теплопроводности проводился для подложек из сапфира, окиси бериллия, слюды и двуокиси циркония. Сравнительные оценки временных термограмм показали, что сенсоры из сапфира и плёнки оксида при включении нагревателя (т. е. при ступенчатом воздействии тепловым потоком на двухслойную композицию) имеют наименьшее время температурного «выравнивания» по толщине подложки из числа других материалов. Малый градиент температуры между нагревателем и оксидной плёнкой обусловлен малой толщиной пластинки из сапфира, его высокой теплопроводностью, близким расположением нагревателя и ЧЭ, а также малыми потерями тепла через выводы и в окружающую среду.
Кроме того, сапфир, как оптимальный материал для подложки, достаточно технологичен и обладает механической прочностью при изготовлении пластин весьма малой толщины. По теоретическим оценкам и прямыми экспериментами было определено время выхода сенсора на рабочий температурный режим. Оно составило « 10-12 с [6]. Следует отметить, что время готовности керамических сенсоров составляет, как известно, десятки минут.
В результате были оптимизированы технологический процесс, материалы матрицы и оксидной плёнки и конструкция сенсора [7].
Сенсорная диагностика дымовых газов
Исследование быстродействия и чувствительности оксидных сенсоров
Разработанные сенсоры на основе оксида цинка, покрытые тонкой плёнкой диоксида кремния, были испытаны на ступенчатое воздействие дымовой дисперсной среды в специальной камере. При этом преследовались две цели: оценить инерционность сенсора и исследовать его чувствительность при детектировании малых концентраций дымовых аэрозолей, в частности при воздействии дисперсной дымовой среды 5 % оптической плотности.
Стенд представляет собой испытательную герметичную камеру, в которую через входной патрубок подается смесь воздуха с дымовыми газами и аэрозолями, образовавшаяся при сгорании
древесины, а также при тлеющем горении полимерного материала. Выходной патрубок служит для продувки камеры в целях получения равномерной концентрации дымовой дисперсной среды. Концентрация контролируется специальным дымомером, представляющим собой отводной сосуд с источником излучения и фотоприёмником, расположенным на фиксированной оптической длине. Сенсор с помощью узла перемещения и пружинного спускового механизма при удалении фиксатора быстро вводится в камеру (рис. 4). Таким образом, реализуется ступенчатое воздействие газоаэрозольной среды на сенсор. Для записи показаний отклика сенсора применяется светолучевой осциллограф Н-145. Концентрация газодымовой среды в воздухе варьируется в пределах от 3 до 15 % по оптической плотности. При этом, в зависимости от концентрации проводимость сенсора изменяется в несколько раз. Чувствительность сенсоров оценивается по стандартной методике, как отношение ст/ст0, где ст0 - проводимость оксидной плёнки на воздухе, ст - её проводимость при воздействии газоаэрозольной среды.
Рис. 4. Схема стенда: 1-испытательная камера; 2- патрубок подачи дымовых газов;
3- патрубок продувки; 4- механизм крепления и подачи сенсора в камеру; 5- фиксатор; 6- окно
На рис. 5 представлены результаты изменения проводимости сенсоров плёночного и керамического типа. Видно, что сенсор на основе оксида цинка с тонким покрытием из диоксида кремния имеет более высокие динамические характеристики перед керамическим как по чувствительности, так и по быстродействию. Судя по многочисленным экспериментам, можно сделать однозначный вывод, заключающийся в том, что постоянная времени тонкоплёночных хемистеров составляет величину, которая не превышает одной секунды. Было также установлено, что функциональная корреляция между толщиной ЧЭ и разрешающей способностью сенсора практически отсутствует. Это говорит о том, что процесс взаимодействия газоаэрозольной смеси с металло-
V II V I I V V /
оксидной плёнкой, по-видимому, определяется не диффузией, а, скорей всего, адсорбционно-десорбционными явлениями в приповерхностных зонах полупроводника. При этом перезарядка поверхностных состояний способствует изменению величины поверхностной проводимости ЧЭ, пропорциональному концентрации дымовых газов и аэрозолей в воздухе. Отмечено, что теоретическая постоянная времени может составить доли секунды, при этом изменение проводимости сенсора будет увеличено в несколько раз.
а/ао
15
10
5
1
0 1 2 3 4 5
т, с
Рис. 5. Зависимость относительной проводимости плёнки от времени при ступенчатом воздействии дымовых газов с оптической плотностью 5 %: 1- тонкоплёночный сенсор; 2- керамический датчик
Диагностика дымовых газов в режиме натекания
Моделирование раннего обнаружения натекания дымовых газов и аэрозолей с помощью сенсоров на основе оксида цинка тонкоплёночной композиции проводилось на стенде, который представлял собой дымовую камеру циркуляционного типа, оснащённую необходимым измерительным комплексом. Схема стенда представлена на рис. 6.
Рис. 6. Схема стенда для сравнительных испытаний газодымовых сенсоров: /-светолучевой осциллограф; 2 4- источники питания; 3- преобразователь сигналов; 5- фотоэлектрический измеритель оптической плотности газодымовой среды; 6- тонкоплёночный сенсор; 7- РИД-6М;
8- ДИП-2; 9- ТОЭ-812 (керамический датчик); 10- генератор дымовых газов и аэрозолей;
11-вентилятор; 12- источник излучения; 13- регистратор фототока; 14-дымовая камера
В нижней секции камеры находится генератор дымовых газов и аэрозолей. С помощью вентилятора продукты беспламенного горения (тления) поступают в измерительную секцию. Непрерывный контроль газодисперсной среды осуществляется измерителем концентрации
дымовых аэрозолей типа ИКП, который предназначен для индикации аэрозолей размером
0,01-1,0 мкм, с фиксированием концентраций в диапазоне от 0,1 до 500 г/м3. При этом погрешность измерения не превышает 10 %. Оптическая плотность среды измеряется фотодиодом. Для оценки дисперсионного состава газодымовой среды при тлении различных полимеров и других изоляционных материалов применяется счётчик аэрозолей АЗ-5, предназначенный для определения счётной концентрации аэрозолей вплоть до 3108 част./м3. Временной ход сигналов сенсоров прописывается с помощью светолучевого осциллографа.
В генератор дымовых газов и аэрозолей помещались и подвергались термическому разложению такие материалы как древесина, поливинилхлоридная изоляция, хлопчатобумажная ткань, резина. Запись сигналов проводилась с момента начала тлеющего горения.
Для сравнительной оценки времени срабатывания тонкоплёночного сенсора и серийно выпускаемых сигнализаторов в камеру устанавливались дымовые извещатели ДИП-2 и РИД-6М. Сравнение проводилось также с керамическим сенсором.
Результаты диагностики натекания показали (рис. 7), что тонкоплёночные сенсоры на основе оксида цинка значительно раньше обнаруживают появление газодымовых аэрозолей и через несколько секунд способны уверенно регистрировать факт появления высокодисперсных продуктов тления.
а/ст0
т, с
Рис. 7. Зависимость относительной проводимости сенсоров от времени с начала тлеющего горения:
1 - древесина; 2- ПХВ-изоляция; 3- ХБ ткань; 4- резина; 5 6- моменты срабатывания ДИП-2 и РИД-6М
Следует также отметить, что к моменту срабатывания ДИП-2 (> 30 с после начала низкотемпературного пиролиза) и РИД-6М (> 40 с) проводимость тонкоплёночного сенсора на основе оксида цинка изменяется примерно в 5 раз при индикации дымовых аэрозолей резины и более чем в 10 раз при детектировании их от древесины. Эксперименты показали, что керамический сенсор Ю8-812 (Япония), потребляя в 2 раза меньше мощности по сравнению с плёночным сенсором, уступает последнему по быстродействию более чем в 2 раза, по чувствительности примерно в 1,3 раза.
Экспериментальные исследования динамики натекания показали, что через « 5-10 с от начала тлеющего горения твёрдых горючих и полимерных материалов, тонкоплёночные хемистеры уверенно обнаруживают наличие высокодисперсных аэрозолей и дымовых газов весьма малой концентрации (существенно менее 3-5 % по оптической плотности).
Одним из методов решения проблемы безопасности при развитии пожара является применение нового поколения жаропрочных и огнестойких кабелей, которые широко используются в качестве линий связи от контрольных датчиков к приборам и прокладываются в высокотемпературных зонах ядерных реакторов с высокой плотностью нейтронов. Особенность кабелей с минеральной изоляцией (КМИ) состоит в том, что они не горят, не выделяют дым и другие продукты
термического разложения, стойки к агрессивным средам и воздействию радиации. Огнестойкие КМИ, обладая идеальными антикоррозионными свойствами, полной негорючестью, стойкостью к маслам, морской воде, нефти и химически агрессивным средам, могут сохранять работоспособность более 3 ч при воздействии температуры до 1050 °С, не меняя своих характеристик.
В работе предложена приближённая математическая модель нестационарного процесса прогрева кабеля с минеральной изоляцией (внешняя задача). В симметричной краевой задаче предполагалось, что теплофизические свойства материалов токонесущей жилы и изоляции не зависят от температуры. При небольших диаметрах внутреннего цилиндра (жилы) температурное поле оболочки (изоляции) практически не искажается вследствие относительно большого коэффициента температуропроводности материала токонесущей жилы (медь, сталь).
Анализ динамики изменения температурного поля цилиндрической оболочки при внешнем тепловом воздействии проводился при линейной зависимости температуры поверхности от времени (т. е. при граничном условии тТ = т0 + Ьт). Решение этой задачи представлено в виде:
(
— = Ро--Рс1 4
1- к
Е ТГ • 4Л (пТ)ехр (-рПРо)
гп
(1)
Установлено, что при Ро > 1,5 температуры любой точки изоляции и точки, близкой к центру цилиндра (г~ 0,9 Т), будут практически совпадать с температурой поверхности в любой момент времени (рис. 8). Прогрев изоляции на основе МдО при её толщине 10-3 м произойдёт практически через 4-5 с, а для изоляции толщиной 10-2 м время прогрева увеличивается до 400 с. Анализ выражения (1) показывает, что через конечный промежуток времени, определяемый неравенством Ро > Ро1, наступает режим, при котором числовым рядом в этом выражении можно пренебречь. При таком квазистационар-ном состоянии производная температуры по времени становится приблизительно величиной постоянной (температура в любой точке изоляции есть линейная функция времени).
£ с
0/РС Ро
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0
- 400
Ро = 1,5
Ро = 1
/:
0,2 0,4
т= т + Ь
1,2
1,4
10-3
5-10-3
300 200
100
0 Ро
10-2 Я, м
Рис. 8. Зависимость относительной температуры от критерия Фурье (РС - критерий Предводителева)
В результате выполненных оценок можно сделать вывод, что кабель с минеральной изоляцией на основе оксида магния довольно быстро прогревается при тепловом воздействии в условиях
/ ЧУ ЧУ ч/ ч/
пожара. Однако, как показали опыты, благодаря своей высокой огнестойкости и механической прочности он не теряет своих эксплуатационных свойств в течение 2-3 ч в условиях контакта со средой весьма высоких температур.
Автоматическая система раннего обнаружения загораний
Разработана автоматическая система пожарной сигнализации (АСПС), предназначенная для сверхраннего обнаружения загораний в кабельных коллекторах, различного рода кабельных трассах и линиях в объектах энергетики и других технических приложениях, имеющих в своём наличии полимерные и изоляционные вещества. Структурная схема АСПС представлена на рис. 9.
Рис. 9. Структурная схема автоматической системы пожарной сигнализации (АСПС):
1, 2 3, 4 5- модули сенсоров; 6- блок обработки сигналов; 7- блок питания; 8- блок сирены;
9- головка динамическая 0,5 ГД-2; 10- светодиод А1_ 307 Б
АСПС содержит блок модулей сенсоров, блок питания, блок обработки сигналов и блок сирены. Модули сенсоров выполнены на микросхемах, питание нагревателей осуществлялось по параллельной схеме; в системе предусмотрен режим контроля работоспособности модулей (схема единичного модуля представлена на рис. 10).
Рис. 10. Модуль сенсора: /-сенсор; 2- микросхема КР140УД8Б;
3-стабилитрон КС162 А; Т, Т2 - резисторы (подбираются при регулировке)
Блок обработки сигналов представляет собой прибор, собирающий информацию со всех модулей (в конкретном исполнении система имела пять модулей).
Система функционирует следующим образом: если концентрация аэрозолей вблизи сенсора (одновременно в дежурном режиме находятся несколько модулей согласно схеме размещения их в помещении) превысит некоторый, заранее выставленный, порог срабатывания (регулировка порога предусмотрена в широких пределах), то включаются одновременно звуковая и
световая сигнализации. В целях дублирования сигнал тревоги с выхода блока-сигнализатора также передаётся на основной пульт пожарной сигнализации объекта. АСПС способна функционировать при совместной круглосуточной непрерывной работе с соответствующим сигнальнопусковым пожарным пультом. Опытный образец АСПС показал хорошие результаты [8].
Разработанная система на основе металлооксидных сенсоров обеспечивает значительный сигнал отклика уже тогда, когда увеличение оптической плотности среды (за счёт появления аэрозолей) ещё не достигает пороговых значений срабатывания, принятых для штатных дымовых пожарных извещателей. АСПС внедрена в Государственном оптическом институте им. С. И. Вавилова (г. Санкт-Петербург). (В разработке АСПС принимали участие А. Е. Иванов и Д. Г. Кабанов).
Выводы
1. Анализ уровня аварийности в объектах энергетики, насыщенных кабельной продукцией, показал, что возникла необходимость создания систем нового поколения сверхранней диагностики предпламенного периода пожароопасной ситуации.
2. Результаты разработки и применения чувствительных металлооксидных сенсоров тонкоплёночного исполнения дают основание утверждать, что такие микроэлектронные индикаторы имеют существенные перспективы в задачах сверхраннего обнаружения малых концентраций дымовых газов и аэрозолей при эксплуатации объектов топливно-энергетического комплекса, имеющих широкий ассортимент кабельных трасс.
3. Предложенная автоматическая система раннего обнаружения и диагностики загазованности окружающей среды способна в режиме натекания продуктов низкотемпературного пиролиза надёжно идентифицировать аномальную ситуацию в различного рода энергетических устройствах [9].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алексеев В. А, Смирнов В. В, Уваров А. Д Закономерности образования аэрозоля вблизи поверхности раздела нагреваемый полимер-газ // Коллоидный журнал. - 1984. - Т. Х1_У1. - № 6. - С. 10591063.
2. Бутурлин А. И, Поляков Ю. А, Заикин В. А. и др. Химический сенсор на основе оксида цинка для обнаружения аэрозолей // Электронные датчики. Ужгород. МЭП СССР. 1989. - С. 98.
3. Поляков Ю. А, Кабанов Д. Г. Разработка и оптимизация газочувствительных датчиков на основе металлооксидных плёнок // Труды Всерос. науч.-техн. конф. «Датчики и преобразователи информации. Системы измерения, контроля и управления». - М.: МГИЭМ, 1995. - С. 423-425.
4. Поляков Ю. А.,Кабанов Д. Г Анализатор малых концентраций взрывоопасных газов // Труды 3-й Межд. конф. «Информатизация систем безопасности». - М.: ВИПТШ МВД РФ, 1994. - С. 129-131.
5. Поляков Ю А, Пузач С. В Диагностика пожаровзрывоопасности при разгерметизации гидрид-ного аккумулятора водорода // Известия РАН. Энергетика. - 1999. - № 2. - С. 74-83.
6. Кабанов Д. Г., Поляков Ю. А, Ландышев Н. В Исследование характеристик газодымового пожарного извещателя раннего обнаружения загорания // Труды науч.-практ. конф. «Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах промышленности и в населённых пунктах». - М.: МИПБ МВД РФ, 1996. - С. 67-69.
7. Бутурлин А. И, Кабанов Д. Г, Поляков Ю А. Перспективы применения газочувствительных металлооксидных датчиков для обнаружения возгораний на ранней стадии // Труды 15-й Всерос. науч.-практ. конф. «Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков». - М.: ВНИИПО, 1999. - Ч. 1. -
С. 44-46.
8. Поляков Ю. А, Кабанов Д. Г., Дулкин М С. Система пожарной сигнализации объектов культурной ценности // Труды 8-й Межд. конф. «Системы безопасности». - М.: МИПБ МВД РФ. 1999. - С. 213-215.
9. Поляков Ю. А, Баутин А. В. Проблемы управления безопасностью сложных энергетических объектов // Труды 9-й Межд. науч. конференции «Проблемы управления безопасностью сложных систем». - М.: ИПУ РАН, 2003. - С. 287-289.
