CC BY
65
СИСТЕМА ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ © Тукан Е.И.*
Владимирский государственный университет им. Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых,
г. Владимир
Предложены схематические решения для создания системы сигнализации с микропотреблением электроэнергии. В составе системы пожарный извещатель генераторного типа. Информационный сигнал в шлейфах системы гармонический.
В 1994 году впервые в истории России был принят федеральный закон о пожарной безопасности [1], согласно которому обеспечение пожарной безопасности является одной из важнейших функций государства. ГОСТ Р53325-2009 [2] классифицирует очаги тестовых пожаров и вводит понятие пожарного извещателя.
Обычно системы пожарно-охранной сигнализации содержат пожарные извещатели соединенные с чувствительными элементами (сенсорами), которые изменяют свои параметры под воздействием факторов возгорания -температура, дым, излучение. Извещатели и датчики размещают в каждом контролируемом помещении и соединяют проводными линиями связи (шлейфами) с приемным прибором, который с учетом особенностей выполняемых функций иногда называют внешнее устройство оптической сигнализации, контрольно-измерительный прибор и т.п. Так в системе RWZ-3 [3] пожарные извещатели, реагирующие на появление дыма, отдельными проводами присоединены к приемно-контрольному прибору.
Конструкции и схемотехнические решения пожарных извещателей весьма разнообразны. В устройстве для регистрации пожара [4] извещатель выполнен съемным и установлен на базе. Он содержит электронный блок для обработки сигналов сенсора и собственный индикатор состояния. Информация о состоянии извещателя выводиться на внешнее устройство оптической сигнализации (ВУОС). Электронные блоки извещателя имеют разные схемотехнические решения в зависимости от применяемых сенсоров. Система предполагает 4-х проводную связь пожарных извещателей с ВУОС.
В устройстве аварийной пожарной сигнализации [5] имеется термочувствительный элемент, состоящий из термостойкой трубки, заполненной легкоплавкими материалом (сплавом), с образованием линии акустической связи между передающим и приемным пьезоакустическими преобразователями, подключенным к противоположным концам термочувствительного эле-
* Студент кафедры Технико-технологических дисциплин. Научный руководитель: Шарыгин Л.Н., доцент, кандидат технических наук.
мента. Передающий пьезопреобразователь подключен к формирователю ультразвуковых колебаний, а приемный пьезопреобразователь через усилитель подключен к блоку обработки и управления, который содержит измеритель коэффициента амплитудной модуляции и решающий блок. Распространение акустических волн в трубе термочувствительного элемента происходит двумя путями - по первой линии акустической связи, образованной легкоплавким материалом (сплавом), заполняющим термостойкую трубку, и по второй линии акустической связи, образованной материалом термостойкой трубки. Таким образом, сигнал на выходе приемного пьезоакустического преобразователя будет определятся суммой двух сигналов, один из которых (по первой линии акустической связи) зависит от температуры. Этот сигнал обрабатывается электронной схемой, состоящей из ряда функциональных блоков. За счет наличия в блоке модуляции нагревательного элемента имеется возможность контроля работоспособности системы.
Основу теплового пожарного извещателя [6] образует тепловой сенсор с нормально замкнутыми контактами. Электронная схема построена на биполярных транзисторах разной проводимости, при этом сенсор включен в цепь базы одного из транзисторов. При повышении температуры до предельного значения сопротивление теплового сенсора увеличивается от долей Ома до нескольких МОм, при этом электронная схема обеспечивает высвечивание светодиодного индикатора.
Система пожарно-охранной сигнализации [7] содержит приемный прибор (приемно-контрольный прибор), в состав которого входят источник электропитания, подключенный к внешнему источнику тока, микропроцессор с согласующими устройствами на основе микроконтроллера АТ 8988252-12Р1, блок индикации, сигнализации, контроля и управления. Имеются также четыре биполярных транзистора разной проводимости для согласования с линией связи. Каждый пожарный извещателей рассматриваемой системы построен на основе своего микропроцессора с согласующими устройствами. Имеются выпрямитель, блок стабилизированного напряжения и два биполярных транзистора, коллекторной нагрузкой одного из них является све-тодиод. Система предусматривает применение 4-х датчиков: датчик дыма, тепловой датчик и два охранных, соответственно с нормально разомкнутым и нормально замкнутым контактами. Датчики подключены к входам микропроцессора пожарного извещателя.
Вышеприведенный обзор известных систем показывает, что они достаточно сложны, предполагают многопроводную линию связи и питание от силовой сети. Последнее снижает их информационную надежность т.к. в преда-варийной ситуации охраняемое здание может быть обесточено. Известные системы могут дать ложное срабатывание за счет электромагнитных наводок, поскольку они используют потенциальный сигнал. Сложная конструкция и значительное электропотребление в дежурном режиме снижает их экономическую эффективность.
Предлагаем простую автономную систему пожарной сигнализации с низким электропотреблением и частотным сигналом - рис. 1 и рис. 2.
Рис. 1. Комбинированная схема автономной пожарной сигнализации
Рис. 2. Схема приемного прибора
Автономную систему пожарной сигнализации составляют последовательно соединенные функциональные блоки: 1 - тепловой датчик, 2 - пожарный извещатель, 3 - приемный прибор, 4 - линия связи пожарного извещате-ля с приемным прибором. Количество пожарных извещателей с тепловыми датчиками равно количеству контролируемых системой помещений - п.
Приемный прибор, в свою очередь, содержит п каналов, каждый из которых составляют последовательно соединенные функциональные блоки: 5 - электрический фильтр, 6 - выпрямитель, 7 - электронный ключ, 8 - оптический индикатор. Электронный ключ совместно с оптическим индикатором образуют блок индикации. Имеется источник электропитания 9, который подключен к блокам индикации каналов.
Обратимся к устройству отдельных функциональных блоков.
Тепловой датчик 1 представляет собой батарею термопар (термобатарею), т.е. последовательно соединенные несколько термопар. Их количество определяется типом термопары (платина-платинородий, хромель-копель, хромель-алюмель и т.д.), заданным уровнем температуры срабатывания пожарного извещателя и параметрами электрической принципиальной схемы пожарного извещателя. Спаи термопар помещают в контролируемую зону помещения, а их концы присоединяют к пожарному извещателю. Для наглядности на рис. 1 изображена одна термопара.
Пожарный извещатель 2 выполнен по электрической принципиальной схеме, изображенной на рис. 1. Схематически пожарный извещатель представляет собой трансформаторный автогенератор гармонических колебаний на полевом транзисторе УГ1. В качестве полевого транзистора может быть применен любой вид - с управляющим p-n переходом, со встроенным каналом, с индуцированным каналом. Для определенности на рис. 1 изображен полевой транзистор с индуцированным каналом типа. Характерной особенностью полевых транзисторов является их высокие значения входных и выходных сопротивлений, т.е. они способны работать при малых токах. Частоту генерации задает LC-контур, образованный емкостью C конденсатора С2 и индукционностью L первичной обмотки I трансформатора. Собственная частота контура / = \ii-k4lc . Настройка контура на требуемую частоту осуществляется подбором емкости конденсатора C2. Возможно применение подстроечного конденсатора. Этот контур одной общей точкой подключен к стоку транзистора УГ1, а другой общей точкой через конденсатор С1 -к затвору транзистора. Емкость конденсатора С1 образует положительную обратную связь, которая обеспечивает автогенерацию. Исходный режим транзистора обеспечивается двумя цепями-резистором R1, который связывает затвор с общей электрической шиной, и истоковым смещением по постоянной составляющей тока истока, за счет параллельно соединенных резистора Я2 и конденсатора С3. Емкость конденсатора С3 следует выбрать из соотношения X c3 << R2, где Xc3 = 1/2л/" • С3. При этом переменная составляющая тока истока замыкается через конденсатор С3, а постоянная составляющая на резисторе R2 образует отрицательную обратную связь, стабилизирующую режим транзистора в функции температуры. Необходимое для автогенерации соотношение фаз сигналов на стоке и затворе реализуется за счет того, что питание каскада организовано через средний вывод первичной обмотки трансформатора.
Таким образом, если в цепи питания, т.е. на среднем выводе первичной обмотки трансформатора, появится положительный электрический потенциал по отношению к общей электрической шине, то в рассматриваемой схеме на транзисторе с каналом типа возникает автоколебательный процесс
на частоте указанного выше контура. При замене транзистора на p-каналь-ный потенциал цепи питания должен быть отрицательным.
В рассматриваемом пожарном извещателе в цепь питания включен стабилитрон VD1. Для транзистора с каналом n-типа анод стабилитрона подключен к среднему выводу первичной обмотки транзистора автогенератора, а катод к первому выводу теплового датчика (термобатареи), второй вывод которого связан с общей электрической шиной. При таком включении используется обратная ветвь вольтамперной характеристики p-n перехода полупроводникового диода, т.е. участок электрического пробоя стабилитрона. Стабилитрон становится электропроводным когда электрический потенциал катода достигает уровня электрического пробоя (напряжение стабилизации стабилитрона).
Если будет возрастать разность температур спаев термобатареи теплового датчика и ее выводов на пожарном извещателе, то пропорционально будет возрастать потенциал катода. При достижении этим потенциалом уровня электрического пробоя стабилитрона автогенератор окажется под током, следовательно, появится автоколебания. Настройка на заданную разность температур может осуществляется выбором типа термопар теплового датчика, их количества и стабилитрона по его напряжению стабилизации.
При работающем автогенераторе на вторичной обмотке II его трансформатора за счет взаимоиндукции будет возникать синусоидная ЭДС -гармоника с частотой f. Этот сигнал передается в линию связи 4. Конденсатор С4, включенный последовательно, обеспечивает гальваническую развязку между выходами пожарных извещателей.
Электрический фильтр 5 представляет собой последовательный резонансный контур, составленный емкостью С конденсатора С5 и электрической катушкой с индуктивностью L. Сопротивление последовательного контура равно z = 2 + —1 , где а = Inf, а при резонансе Z = R, т.е.
полное сопротивление будет очень малым и равным активному сопротивлению R электрической катушки. Такой электрический фильтр будет пропускать только одну частоту, равную резонансной. Каналы приемного прибора настраиваются на принимаемую частоту подбором емкости конденсатора С5, который может быть подстроечным. Настройка индуктивностью L катушки усложняет конструкцию последней, поэтому нецелесообразна.
Выпрямитель 6 обычного исполнения. На рис. 2 изображен двухполу-периодный мостовой вариант на выпрямительных диодах VD2-VD5. Возможно применение однополупериодного выпрямителя.
Электронный ключ 7 блока индикации представляет собой каскад с общим эмиттером, а т.к. база транзистора соединена с эмиттером резистором R3, то в исходном состоянии транзистор находится в режиме отсечки и его
коллекторный ток очень мал. В цепи коллектора транзистора УГ2 электронного ключа включен оптический индикатор 8; на рис.2 в качестве примера это светодиод Возможно применение скоммутированного на конкретную цифру цифрового индикатора. Поскольку транзистор УГ2 находится в режиме отсечки, то в исходном состоянии оптический индикатор не высвечивается. Транзистор УГ2 электронного ключа может быть произвольной проводимости. На рис. 2 изображен транзистор проводимости п^-п. При замене на проводимость p-n-p следует изменить полярность подключения источника электропитания 9. Необходимо заметить, что проводимость транзистора УГ2 не связана с канальностью полевого транзистора УГ1 пожарного извещателя.
Как отмечено выше, в дежурном режиме от источника электропитания 9 потребляется только очень малый ток закрытого электронного ключа 7. Поэтому в качестве источника электропитания можно использовать автономные первичные источники малой мощности - гальванические элементы (батарейки) или аккумуляторы.
Линия связи 4 может быть реализована в различных вариантах в зависимости от конструкции здания и устройства его инженерных сетей. Если в здании имеются разветвленные трубопроводные системы (горячего и холодного водоснабжения, отопления) с низким электрическим сопротивлением (случай когда трубы соединены сваркой), то возможно использование этих инженерных сетей в качестве электрической общей шины для линии связи. Следовательно, сигналы всех пожарных извещателей можно передавать по одному сигнальному проводу, что существенно сокращает расход проводов на линию связи и упрощает монтаж системы. В качестве линии связи можно использовать электропроводку, т.к. выходы пожарных извещателей и входы приемного прибора соединены с линией связи через конденсаторы (соответственно, С4 и С5), обеспечивающие гальваническую развязку, а частота электросети (50 Гц) существенно ниже рабочих частот системы.
Пожарный извещатель с тепловым датчиком монтируется в каждом 1-м контролируемом помещении, при этом спаи термобатареи датчика и собственно пожарный извещатель 2 устанавливаются по разные стороны внешней стены помещения. Спаи термобатареи датчика монтируют внутри помещения, а пожарный извещатель - снаружи, например, на раме оконного блока. Габаритные размеры пожарного извещателя малы и он не изменит эстетику здания. Возможен вариант с обратным расположение указанных устройств.
Работает автономная система пожарной сигнализации следующим образом. В нормальных условиях имеется некоторая небольшая разность температур воздуха внутри и вне помещения, следовательно термобатарея теплового датчика 1 вырабатывает некоторую ЭДС. Но настройка пожарного извещателя такова (см. выше), что эта ЭДС меньше напряжения стабилизации стабилитрона УЭ1 и он остается неэлектропроводным. Система остается в исходном режиме.
При возникновении пожара в i-м помещении значительно возрастает разность температур внутри и вне помещения, соответственно возрастает ЭДС теплового датчика. При достижении этой ЭДС напряжения стабилизации стабилитрона VD1 он становится электропроводным, что и обеспечивает ток питания трансформаторного автогенератора гармонических колебаний на транзисторе VT1.
Сигнал, снимаемый с вторичной обмотки трансформатора генератора с частотой fi поступает в линию связи 4, а с нее - на входы всех каналов приемного прибора 3. Электрический фильтр i-го канала, настроенный на частоту fi выделит сигнал i-го пожарного извещателя и обеспечит открывание электронного ключа 7, следовательно высвечивание i-го оптического индикатора 8. Если пожарная ситуация возникает в нескольких помещениях, то в линии связи будут присутствовать сигналы нескольких пожарных извеща-телей, но каждый из них с разными i-ми частотами, которые будут выявлены соответствующими фильтрами. В результате будут высвечиваться оптические индикаторы этих каналов приемного прибора.
Предлагаемая автономная система пожарной сигнализации предельно проста. Система нормально функционирует, когда здание либо не имеет сетевого электроснабжения, либо оно по каким-либо причинам отключено. Этим обеспечивается высокая надежность информации.
Экономический эффект от внедрения системы обеспечивается ее низкой себестоимостью, простотой обслуживания и длительным сроком эксплуатации. Срок эксплуатации реализуется режимом отсечки электронных ключей, невозбужденным состоянием индикаторов в ждущем режиме и низкомощным режимом генераторов пожарных извещателей.
Автономная система пожарной сигнализации допускает простую модернизацию для объединения в общегородскую сеть за счет использования частотного сигнала, который схемотехнически просто квантуется и кодируется.
Список литературы:
1. Федеральный закон от 21.12.94 №69-ФЗ (ред.от 30.12.2012 с изменениями, вступившими в силу с 01.01.2013) «О пожарной безопасности».
2. ГОСТ 53325-2009. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний.
3. Александров Ю.С. Пожарная безопасность вагонов. - М.: Транспорт, 1988.
4. Устройство для регистрации пожара. Патент RU2372663, МПК G08B 17/00 / В.В. Баков и др. Опубл.10.11.2009.
5. Устройство аварийной пожарной сигнализации. Патент RU2438183, МПК G08B 17/00, 17/06; H01H 85/00 / О.П. Ильин. Опубл. 27.12.2011.
6. Тепловой пожарный извещатель. Патент RU 2386175, МПК G08B 17/00 / В.А. Абушкевич и др. Опубл. 10.04.2010.
7. Система пожарно-охранной сигнализации. Патент RU2274902, МПК G08B 17/10 / В.Г. Гробов и др. Опубл. 20.04.2006/
8. Автономная система пожарной сигнализации. Заявка на изобретение № 2013103871/6 (005588) от 29.01.2013, МПК G08B 17/10 / Е.И. Тукан и др.
К ВОПРОСУ О ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРАХ © Туманова К.С.*
Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова,
г. Нерюнгри
Обосновывается использование цифровых фильтров. Приведена классификация цифровых фильтров. Описаны преимущества и недостатки цифровых фильтров перед аналоговыми.
Задача цифровой фильтрации встречается во многих областях науки и техники, в частности, связанных с решением задач обнаружения и оценки параметров сигналов. Общий подход к решению данных задач, формулируемых в терминах различения сигналов, основан на разделении этапов предварительной обработки и последующего принятия решения об обнаружении. Второй этап формулируется в виде проверки статистических гипотез и решается на основе классических подходов с использованием критериев, выбираемых исходя из специфики решаемой задачи. Проблема эффективной обработки сигналов в условиях параметрической неопределенности в присутствии помех различной природы возникает при решении большого числа практических задач. Одним из решений возникшей проблемы является применение цифровых фильтров.
Что же такое фильтрация? Под фильтрацией понимают любое преобразование информации (сигналов, результатов наблюдений), при котором во входной последовательности обрабатываемых данных целенаправленно изменяются определенные соотношения (динамические или частотные) между различными компонентами этих данных.
Преобразование динамики сигналов (и данных, которые несут эти сигналы) осуществляется в системах. Системы, избирательно меняющие форму сигналов (амплитудно-частотную или фазово-частотную характеристику), устранение или уменьшение помех, извлечение из сигналов определенной информации, разделение сигналов на определенные составляющие и т.п., называют фильтрами. Соответственно, фильтры с любым целевым назначением являются частным случаем систем преобразования сигналов.
* Ведущий программист отдела Информационных технологий и безопасности.
