Конструктивные особенности современных дымовых пожарных извещателей

В начальной стадии пожара, когда имеет место процесс медленного горения с выделением большого количества дыма, наиболее эффективным является применение дымовых извещателей.

Дымовой пожарный извещатель (ДПИ) – пожарный извещатель, реагирующий на частицы твердых или жидких продуктов горения и (или) пиролиза в атмосфере (по НПБ 65).

По конфигурации измерительной зоны дымовые ДПИ подразделяются на точечные и линейные. По принципу действия существует два типа извещателей: ионизационные и оптико-электронные (фотоэлектрические). Дымовые ионизационные ПИ подразделяются на радиоизотопные и электроиндукционные.

Дымовой ионизационный (радиоизотопный) извещатель

Дымовой ионизационный (радиоизотопный) извещатель – пожарный извещатель, принцип действия которого основан на регистрации изменений ионизационного тока, возникающего в результате воздействия на него продуктов горения.

Радиоизотопные ДПИ в качестве чувствительного элемента имеют дымовую камеру с размещенными в ней двумя электродами (анодом и катодом) и капсулы с радиоактивным элементом (плутоний Pu или америций Am). В дежурном режиме воздух в камере ионизирован и между электродами возникает электрический ток I_и. Работа ионизационной камеры показана на рис. 1.

При попадании в камеру частиц дыма ионизация уменьшается и ток между электродами пропадает. Блок обработки сигналов регистрирует изменение тока и вырабатывает сигнал «Пожар». Вольтамперная характеристика радиоизотопной камеры, полученная при постоянной интенсивности излучения радиоактивного элемента, показывает наличие трех основных участков.

Физическая сущность явлений, происходящих в радиоизотопной камере и выражающихся вольтамперной характеристикой (рис. 2), объясняется процессами рекомбинации ионов (образование нейтральных молекул из ионизированного газа при столкновении его частиц).

При увеличении напряжения на электродах ионизационной камеры от 0 до U₁ происходит увеличение тока в цепи (участок 1). На этом участке существенное значение для рекомбинации имеет скорость движения ионов, которая зависит от величины напряжения.

С увеличением напряжения уменьшается число рекомбинирующих ионов. При достаточно высоких напряжениях (участок 2) вероятность столкновения ионов становится настолько малой, что практически можно считать, что все образующиеся в газе ионы достигают электродов и дальнейшее повышение напряжения не вызывает увеличения тока. Наступает явление насыщения. При дальнейшем повышении напряжения происходит резкое увеличение силы тока – это объясняется не только внешней ионизацией (от радиоактивного источника), но и вторичным процессом ионизации под действием ударов электронов и ионов о нейтральные молекулы (участок 3). Наибольшее распространение получили двухкамерные радиоизотопные извещатели, состоящие из открытой и закрытой камер. В открытую камеру свободно поступают продукты сгорания, закрытая камера предназначена для компенсации влияния окружающей среды (температуры, давления, влажности). При отсутствии дыма изменение параметров окружающей среды происходит медленно и компенсационная камера изменяет свои параметры аналогично измерительной камере. При пожаре дым попадает в камеру и на управляющем электроде происходит изменение напряжения в результате скачкообразного изменения ионизационного тока. Электронная измерительная схема преобразует это изменение в сигнал тревоги.

Оптико-электронный извещатель

Оптико-электронные извещатели разработаны на основе использования оптических свойств дыма. Дымовой оптический пожарный извещатель – пожарный извещатель, реагирующий на продукты горения, которые воздействуют на поглощающую или рассеивающую способность излучения в инфракрасном, ультрафиолетовом или видимом диапазонах спектра (по НПБ 65).

Контролируя изменение оптических свойств среды, дым можно обнаружить двумя способами: по ослаблению светового потока (оптико-электронные – за счет уменьшения прозрачности окружающей среды) и по интенсивности отраженного (рассеянного) светового потока частицами (фотоэлектрические ДПИ), из которых состоит дым. В первом случае ослабление светового потока происходит по закону Бугера–Ламберта:

$$\large Ф\ =\ Ф_0 \exp (-k c L)$$

где Ф, Ф₀ – световой поток, выходящий из источника света и достигший приемника; k – коэффициент пропорциональности (поглощения); c – концентрация дыма; L – расстояние между излучателем и фотоприемником ДПИ.

Ослабление светового потока дымом зависит от свойств частиц дыма и от длины волны применяемого источника светового излучения. При фиксированном пороге срабатывания фотолучевых (линейных) извещателей по оптической плотности среды их чувствительность или обнаружительная способность с увеличением расстояния L (в пределах паспортных данных) будет возрастать. Во втором случае соотношение между первичным Ф₀ и вторичным потоками света.

$$\large Ф\ = \frac{Ф_0 k N V}{\lambda^4(1-\cos \beta)}$$

где N – число частиц дыма в его объеме дыма; V – объем частиц; β – угол рассеяния; λ – длина волны.

Оптико-электронный извещатель, работа которого основана на изменении интенсивности отраженного (рассеянного) светового потока частицами дыма, называется точечным.

В дымовой камере размещается источник светового излучения и фотоприемник под таким углом, чтобы индикатриса рассеяния падающего светового потока попадала на чувствительную площадь фотоприемника. Расположение фотодиода и светодиода под углом друг к другу в горизонтальной плоскости облегчает доступ дыма и, следовательно, существенно увеличивает чувствительность извещателя. Для повышения уровня помехозащищенности фотодиода от внешних источников света используется схема сравнения модулированных световых потоков. Источник света модулируется с помощью модулятора колебаний и посылает световой поток в дымовую камеру. При отсутствии в ней дыма свет не попадает на фотоприемник. Извещатель находится в дежурном режиме.

Если в дымовую камеру поступает дым, модулированный поток света отражается от частиц дыма и попадает на фотоприемник, который превращает этот поток в электрический сигнал; затем электрический сигнал через усилитель проходит на схему сравнения, где сравнивается с электрическим сигналом от модулятора. При совпадении сигналов от фотоприемника и модулятора по частоте (что говорит об истинности поступившего сигнала) срабатывает схема сигнализации, и в цепь приемной станции подается сигнал тревоги. Если частоты сигналов от фотоприемника и модулятора не совпадают (что может быть лишь при воздействии постороннего источника света), сигнал тревоги не формируется.

Разновидностью оптического метода контроля задымленности является система раннего обнаружения пожара HART-HSSD фирмы «KIDDE DEUGRA» с помощью непрерывного лазерного зондирования анализируемых порций воздуха в специальной измерительной камере. Чувствительность прибора на порядок выше общепринятых методов измерения задымленной среды. Детектор откалиброван так, что реагирует на частицы размером 0,3–10 мкм, характерные только для дыма, и не реагирует на пыль, что повышает чувствительность измерения и надежность получения достоверной информации.

Другим способом обнаружения дыма при пожаре является искусственное «засасывание» дыма в специальную измерительную камеру, в которой установлен (один или два) точечный извещатель пожарный дымовой аспирационный (ИПДА). ИПДА – автоматический пожарный извещатель, реагирующий на определенный уровень концентрации аэрозольных продуктов горения (пиролиза) веществ и материалов, которые подаются к блоку обнаружения при помощи специального трубопровода протяженной конструкции, имеющего в контролируемой зоне несколько отверстий для всасывания аэрозоля (дыма). Всасывающий трубопровод – составляющая часть ИПДА, предназначенный для доставки газообразной среды от контролируемой зоны к блоку обнаружения. Блок обнаружения – составная часть ИПДА, реагирующая на определенный уровень концентрации аэрозольных продуктов горения в доставленной от контролируемой зоны газообразной среде и выдающая выходной сигнал на внешнее устройство в зависимости от алгоритма работы.

В дымовых точечных извещателях применяются и другие логические схемы обработки информации от оптического узла. Цель использования схем обработки сигналов состоит в том, чтобы сохранить высокую чувствительность при максимальной помехозащищенности.

Дымовой пожарный извещатель ИП-211(РИД-6М)

Извещатель (рис. 3) предназначен для раннего обнаружения загораний при появлении дыма и подачи сигнала «Пожар» по двухпроводному шлейфу сигнализации. Извещатель состоит из двух ионизационных камер. Одна из них – открытая радиоизотопная камера, другая – компенсационная камера (рис. 11.14). В извещателе используются два альфа-источника Pu239 общей активностью 10 мкКю.

Камера В1 – компенсационная, камера В2 – открытая, точка соединения камер подключена к затвору полевого транзистора VТ1. При попадании дыма в камеру В2 увеличивается ее сопротивление постоянному току за счет снижения степени ионизации и соответственно увеличивается падение напряжения в ней, а следовательно, и на резисторе R1. При достижении заданной величины напряжения на R1 открывается стабилитрон VD1, который пропускает ток на транзисторы VT2 и VT3, в результате транзисторы открываются.

Падение напряжения на цепочке: резистор – R4, переход базы-эмиттера транзистора VT3 приведет к открыванию транзистора VT5, при этом произойдет резкое увеличение тока в цепи сигнализации, загорание индикатора и светодиода VD5. Кнопка S предназначена для тестового контроля работоспособности извещателя с помощью съемника-пробника. Извещатель не рекомендуется устанавливать в жилых помещениях и детских учреждениях. Порог срабатывания 0,7 дБ/м. Инерционность не более 10 с.

Государственное унитарное предприятие «Институт физико-технических проблем» Минатома РФ (г. Дубна) разработал и освоил технологию замены альфа-источников типа АИП-РИД в радиоизотопном дымовом пожарном извещателе типа РИД-6М,  что позволяет продлить эксплуатацию извещателей РИД-6М вместо их вынужденного демонтажа и захоронения.

Аналогом извещателя РИД-6М является ИП-01Л, в котором используется один альфа-источник Am241 с активностью 0,8 мкКю. Извещатель имеет низкую активность, хорошо работает в условиях обычных производственных помещений (АТС, офисы, вычислительные центры). Извещатель имеет универсальную розетку и взаимозаменяем с извещателями ИП-101, ИП-212. Радиоизотопные извещатели эффективны для обнаружения дыма при горении любых веществ и материалов.

Дымовые пожарные извещатели ИП-211-1, ИП-211-2

ФГУП «Институт физико-технических проблем» разработал и освоил в серийном производстве специальный пожарный извещатель типа ИП-211-1, имеющий уникальные технические характеристики, полностью соответствующие или превосходящие зарубежные аналоги, а именно: извещатель способен работать в диапазоне температур от -30 до +100 °С и относительной влажности до 98%, а также может использоваться для включения системы автоматического пожаротушения. Как известно, все другие типы извещателей после аварийного включения системы подлежат замене.

Извещатель ИП-211-1 (рис. 5) имеет герметичное основание с клеммной колодкой для подключения двухпроводной линии через сальниковые вводы или полудюймовые резьбовые соединения.

В настоящее время «Институт физико-технических проблем» Минатома РФ разработал первый отечественный высокочувствительный аспирационный (проточно-ионизационный) пожарный извещатель типа ИП-211-2 (рис. 6). Извещатель обеспечивает сигнализацию при появлении микроколичеств дыма (до 0,1 мг/м³) в воздухе защищаемых помещений при принудительной прокачке воздуха через извещатель. Воздух забирается из контролируемых помещений с помощью трубок длиной до 100 м с перфорационными отверстиями. Он способен осуществлять защиту технологических установок АЭС (ядерные реакторы, кабельные траншеи, центральные щиты управления и другие наиболее ответственные узлы и агрегаты, где не могут быть установлены никакие другие типы пожарных извещателей). Извещатель также предназначен для использования при защите высоких строительных конструкций (ангары, склады).

Использование аспирационных извещателей, как у нас в стране, так и за рубежом, показывает, что чувствительность и помехозащищенность таких извещателей выше, чем у традиционных точечных оптико-электронных ДПИ.

Наиболее эффективно аспирационные системы используются на практике для защиты высокостеллажных складов, тоннелей, различного рода ангаров для стоянки и размещения транспорта, в том числе самолетов.

Дымовые извещатели полупроводниковые фотоэлектрические серии ИП-212–5М3 (ДИП-3М3)

Дымовой пожарный извещатель ДИП-3М3 предназначен для круглосуточной непрерывной работы с пультами ППК-2, УОТС-1, «Сигнал-42» и др. Извещатель представляет собой единую конструкцию, состоящую из корпуса и крышки, соединенных винтами. В извещателе применена горизонтально вентилируемая оптическая система.

На лицевой поверхности извещателя расположен индикатор срабатывания. Некоторые разновидности конструкции ИП-212 имеют встроенную кнопку для проверки работоспособности ДПИ. Оптический узел конструктивно объединяет фотоприемник (фотодиод) и излучатель (светодиод),  работающие в инфракрасном диапазоне таким образом, чтобы их оптические оси пересекались под углом 120°, а область, образуемая пересечением телесных углов поля зрения фотоприемника и излучателя, является областью, чувствительной к дыму. При отсутствии дыма в зоне обнаружения конструкция оптической системы должна обеспечить максимальное поглощение мощности излучателя и в идеале – ее полное отсутствие, а в реальности – минимальное попадание этого излучения на приемник. При попадании дыма в обнаружительную камеру инфракрасное излучение рассеивается (преломляется) его частицами, что приводит к значительному увеличению попадаемой на приемник мощности излучения, фиксируемое электронной схемой извещателя.

Основными узлами и элементами извещателя являются: задающий тактовый генератор, усилитель тока светодиода на транзисторах, усилитель сигнала, ключевой элемент, реверсивный счетчик, устройства формирования сигнала «Пожар».

При наличии дыма в чувствительной области (оптическом узле) извещателя излучение светодиода, отражаясь от частиц дыма, поступает на фотоприемник, импульсный электрический сигнал с которого усиливается операционным усилителем. Импульсы отрицательной полярности с выхода поступают на вход ключевого элемента, который имеет уровень срабатывания около 400 мВ. Импульсы положительной полярности с коллектора поступают на вход счетчика. При появлении первого импульса на входе на выходе появляется логический сигнал «1».

При наличии последовательности из 4 импульсов на входе срабатывает устройство формирования сигнала «Пожар». Возврат извещателя в дежурный режим из режима «пожар» осуществляется отключением напряжения питания на время не менее 1,5 с.

Порог срабатывания 0,05–0,2 дБ/м. Инерционность 5 с. Допустимая скорость воздушных потоков до 10 м/с.

Модификациями извещателя являются следующие разработки: ИП-212-39; ИП-212-41; ИП-212-43; ИП-212-44; ИП-212-53; ИП-212-54, ИП-212-5СУ и др. В основе конструкции перечисленных ДПИ положен одинаковый принцип обнаружения дыма. Извещатели отличаются различной величиной напряжения питания и источниками питания, двух- или четырехпроводными шлейфами АПС, наличием встроенной звуковой сирены, специальной розеткой подключения, различными габаритами, наличием монтажных устройств крепления, конструкциями отверстий дымозабора, параметрами помехозащищенности и др.

Серия извещателей ИП-212-54Н (низковольтные), ИП-212-54Р (релейные) и ИП-212-54Т (токовые) с большим числом модификаций выполнены в едином малогабаритном типаже, при этом уменьшение размеров достигнуто за счет более компактного размещения печатной платы и элементов при сохранении размеров зоны обнаружения, как у стандартных типов ДПИ. ИП-212-54 предназначен для применения в системах пожарной сигнализации в качестве точечного порогового извещателя дыма и совместим со всеми отечественными пожарными приемно-контрольными приборами, с модулями МС-03 и МС-04 и с большинством импортных охранно-пожарных приборов.

Отличительной особенностью ИП-212-53 является наличие встроенной звуковой сирены и при срабатывании извещателя, наряду с формированием традиционных тревожных сигналов (электрического в шлейфе сигнализации и оптического на извещателе и выносном устройстве), дополнительно генерируется звуковой сигнал оповещения.

Фотоэлектрический дымовой пожарный (автономный) извещатель ИП-212-43

Принцип действия извещателя основан на постоянном контроле оптической плотности среды по интенсивности отраженного ИК-излучения от частиц дыма. Извещатель рассчитан на круглосуточную работу при питании от батарейки типа «Корунд» или четырех батареек типа ААА (10×45 мм), установленных внутри корпуса со стороны задней крышки. Извещатель обеспечивает подачу тревожных сообщений в виде громких звуковых сигналов. Применение импульсного режима работы оптической системы обнаружения с дискретным изменением частоты следования импульсов при появлении дыма определяет быстродействие и высокую чувствительность.

Извещатель формирует сигнал «Внимание» (75% от порога срабатывания) и «Пожар». В схеме извещателя применен пик-процессор «Microchip», разработанная для него программа обеспечивает минимизацию электропотребления. Извещатель имеет встроенный узел проверки работоспособности. Чувствительность извещателя по оптической плотности задымленной среды составляет от 0,05 до 0,2 дБ/м.

Извещатель ИП-212-44 (ДИП-44)

Комплект поставки извещателя позволяет включать его в двухпроводные (линия питания совмещена с сигнальной линией) пороговые шлейфы классических пожарных приемно-контрольных приборов, таких, как ППК-2, УСПП-01Л (Сигнал-42-01Л), Радуга, Рубин-8П и др. Возможна поставка извещателей в комплекте с модулями согласования, позволяющими применять их в четырехпроводных шлейфах охранно-пожарной сигнализации. Работа извещателя построена на классическом принципе действия точечных оптико-электронных дымовых датчиков с горизонтально вентилируемой оптической системой. Выполнение ловушек-гасителей излучения в виде сквозных изогнутых щелей позволило обеспечить только одноразовое вертикально-горизонтальное преломление дымозаходного пути. Специально разработанные и поставленные на производство инфракрасные светодиод и фотодиод с нормированным углом диаграммы направленности, высокой точностью совмещения кристалла с оптической осью приборов и высокие показатели характеристик по эффективности выхода излучения и чувствительности позволили отказаться от использования в конструкции оптических линз. Это существенно повысило стабильность параметров схемы измерения (отношение «сигнал/шум» отличается от образца к образцу не более чем в 1,4 раза).

Технология настройки позволяет настраивать извещатели на любое значение чувствительности (в пределах регламентируемых российскими стандартами) с точностью ±20%.