Конструктивные особенности современных тепловых пожарных извещателей

Тепловой пожарный извещатель – пожарный извещатель, реагирующий на определенное значение температуры и (или) скорости ее нарастания. Принцип действия тепловых пожарных извещателей заключается в изменении свойств чувствительных элементов при изменении температуры. По конфигурации измерительной зоны тепловые ПИ подразделяются на точечные, многоточечные и линейные.

Существуют следующие типы тепловых пожарных извещателей:

• ИП-101 – с использованием зависимости изменения величины термосопротивления от температуры контролируемой среды;
• ИП-102 – с использованием возникающей при нагревании ТЭДС;
• ИП-103 – с использованием линейного расширения тел;
• ИП-104 – с использованием плавких или сгораемых вставок;
• ИП-105 – с использованием зависимости магнитной индукции от температуры.

Выполнены теоретические проработки возможности использования в средствах обнаружения пожара (по параметру температуры) эффекта Холла (ИП-106), объемного расширения газа (ИП-107), сегнетоэлектриков (ИП-108), зависимости модуля упругости от температуры (ИП-109), резонансно-акустических методов (ИП-110), комбинированных методов (ИП-111), эффекта «памяти формы» (ИП-114), термобарометрических изменений (ИП-131) и др.

Извещатель пожарный ИП-101

Извещатель представляет собой автоматическое термоэлектрическое устройство, осуществляющее электрическую сигнализацию и оптическую индикацию повышения температуры в защищаемом помещении. ИП-101-2 – максимально-дифференциальный извещатель – срабатывает при достижении заданного порога срабатывания и в случае быстрого нарастания температуры. Температура срабатывания +50 °С. Инерционность срабатывания 60 с.

В основу работы извещателя положена зависимость величины термосопротивления (чувствительного элемента) от температуры R = f(Т). Основными узлами и элементами схемы являются терморезисторный делитель напряжения, компаратор напряжений, узел памяти (рис. 1).

В дежурном режиме все транзисторы извещателя закрыты. Проводимость мала и равна сумме проводимостей делителя R1-R6. Ток делителей формирует на стабисторах VD1, VD2 напряжения, запирающие транзисторы VT3, VT4 узла памяти, обеспечивая помехоустойчивость извещателя. При медленном повышении температуры сопротивления R1 и R2 уменьшаются пропорционально друг другу.

Напряжение на резисторе R3 и в точке соединения R1, R2 медленно растет и при достижении температуры 60 °С становится достаточным для открывания транзисторов компаратора (и включения узла памяти).

Извещатель срабатывает по максимальному каналу. При быстром повышении температуры сопротивление терморезистора R2 не успевает уменьшиться, напряжение в точке соединения резисторов R1, R2 достигает порога открывания транзисторов компаратора напряжения VT1,VT2 при температуре ниже температуры срабатывания. Извещатель срабатывает по дифференциальному каналу. Стабистор VD4 и развязывающий диод VD5 обеспечивают возможность работы нескольких извещателей с одним групповым выносным устройством оптической индикации срабатывания. Существуют извещатели и с другими электронными схемами.

Извещатели пожарные тепловые бесконтактные максимального действия ИП-101-20/1-70, ИП-101-20/1-62, «МАК-1Т» с номинальной пороговой температурой срабатывания 70 или 62 °С являются восстанавливаемыми, контролируемыми изделиями многократного действия и предназначены для применения в составе автоматических установок пожарной сигнализации для обнаружения загораний, сопровождающихся повышением температуры в закрытых помещениях.

В извещателях «МАК-1Т» применен в качестве теплочувствительного элемента специальный пленочный малоинерционный терморезистор с релейной температурной характеристикой, обладающий скачкообразным изменением сопротивления (проводимости) не менее чем на три порядка при температурах 70 и 62 °С соответственно. Извещатель имеет встроенный оптический индикатор срабатывания и формирует тревожное извещение о пожаре при достижении в защищаемом помещении температуры, соответствующей пороговой температуре срабатывания извещателя, путем скачкообразного снижения его внутреннего сопротивления, которое не зависит от величины напряжения в шлейфе, в пределах от 3 до 30 В. Извещатели могут включаться в шлейфы любых пожарных и охранно-пожарных приемно-контрольных приборов, таких, как ППК-2,  «Топаз», «АРГУС», «ЛИГАРД» и др.

Для защиты взрывопожароопасных помещений (категории помещений А и Б по НПБ 105), а также для установки во взрывоопасных зонах всех категорий (по классификации ПУЭ) извещатели выпускаются в специальном конструктивном исполнении (с дополнительной защитной крышкой и маркировкой «ИБ»). Указанные извещатели, установленные во взрывоопасных помещениях и зонах, необходимо включать только в искробезопасную цепь-шлейф пожарных или охранно-пожарных приемно-контрольных приборов (типа «КОРУНД-1И», Прибора УПКОП135-1-1 «Искробезопасная цепь» и др.).

Разновидностью полупроводниковых извещателей, основанных на изменении электрических параметров полупроводника при его нагревании является термочувствительный кабель (ТЧК). Он представляет собой гибкий коаксильный провод из нержавеющей стали с наружным диаметром 1,5–3 мм. Внутри оболочки проложен стальной проводник. Между оболочкой и проводником проложен полупроводниковый состав с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления:

$$\large R_t=A_{exp}\frac{B/T}{L}$$

где А — постоянная, зависящая от материала изоляции, Ом/см; В — коэффициент, характеризующий температурную чувствительность кабеля, °С; L — длина кабеля, м.

При нагревании кабеля в любом месте изменяется его сопротивление. Такое изменение электрических параметров чувствительных полупроводниковых элементов преобразуется электронной схемой в сигнал тревоги. Примером такого устройства является линейная система сигнализации Аlаrmline LHD 4 (рис. 2) фирмы «KIDDE». Устройство обнаружения пожара имеет сенсорную длину чувствительного элемента 300 м (максимальная длина 1,5 км), слабо чувствительного по отношению к механическим и химическим воздействиям, коррозии, влажности, пыли и пригодного для применения во взрывоопасных зонах. Данная система состоит из двух компонентов: сенсорной линии и блока обработки результатов измерения. Сенсорная линия системы состоит из четырех медных проводов. Они покрыты материалом цветного кодирования с отрицательным температурным коэффициентом и имеют огнестойкую наружную оболочку. Провода сенсорной линии в конце соединяются друг с другом и герметически уплотняются таким образом, что возникают две петли. Обе петли постоянно контролируются. Разрыв или короткое замыкание вызывают аварийный сигнал в блоке обработки результатов.

При повышении температуры изменяется электрическое сопротивление между обеими петлями; с повышением температуры сопротивление уменьшается. Это изменение распознается блоком обработки результатов, который при превышении установленной температуры реагирования включает аварийный сигнал.

К тепловому линейному извещателю относится используемый в нашей стране детектор PHSC фирмы «Рrоtесtоwire», который состоит из двух проводников, каждый из которых покрыт материалом, чувствительным к нагреву. Проводники скручены вместе для создания внутреннего напряжения между ними, покрыты защитной пленкой и закрыты внешней оболочкой для того, чтобы выдерживать воздействия окружающей среды. При монтаже прибор подсоединяется к одному концу проводников таким образом, что при подключении питания через детектор и цепь управления проходит небольшой контрольный ток. При критической температуре (принятой равной 68, 88 и 138 °С) чувствительный к нагреву материал становится пластичным под давлением скрученных проводников, и они замыкаются. Этот процесс происходит в точке нагрева в любом месте по длине детектора.

Применение линейного теплового извещателя наиболее эффективно в кабельных каналах, электроподстанциях, высокостеллажных складах, морских судах, ангарах, фальшполах компьютерных залов (табл. 11.2). Линейный детектор точно определяет местонахождение точки перегрева в любом месте этих сооружений, а также выдерживает агрессивное воздействие окружающей среды. Линейный извещатель подключается через интерфейсный модуль типа PIM-93 к приемно-контрольному прибору.

Таблица 1

Основные типы извещателей

Тип извещателя	Максимальная рабочая температура, °С	Температура срабатывания, °С	Условия эксплуатации
PHSC-155	37,8	68,3	Нормальные
PHSC-195	65,6	87,8	Нормальные
PHSC-280	93,3	137,8	Нормальные
PHSC-155ЕРС	37,8	68,3	В промышленности
PHSC-280ЕРС	93,3	137,8	В промышленности
PHSC-190ЕР	65,6	87,8	Агрессивная среда
PHSC-280ЕРN	93,3	137,8	Агрессивная среда

Извещатель монтируется непрерывными участками без отводов и разветвлений. Максимальная длина извещателя ограничивается лишь электрическими параметрами контрольной аппаратуры и составляет около 1000 м.

Импортные термочувствительные кабели относительно дороги, не согласуются с отечественными приёмно-контрольными приборами, восприимчивы к электромагнитным наводкам.

В связи с вышеизложенным представляет интерес использование в системах пожарной сигнализации волоконно-оптических световодов.

Первые сведения об использовании за рубежом волоконно-оптических световодов в качестве термодатчиков появились в 70-х годов прошедшего столетия. Датчики рекомендовалось применять в тех случаях, когда традиционные термопреобразователи подвержены влиянию микро- и высокочастотных волн, вихревых токов и т.д.

В середине 90-х годов в США были внедрены волоконно-оптические линейные тепловые датчики различных наименований и принципов действия. Самым известным является датчик типа «Оптический с измерением коэффициента отражения методом совмещения прямого и отраженного испытательных сигналов» (Optical Time Domain Reflectomery, OTDR), работающий по принципу измерения процентного соотношения обратного рассеяния излучения по длине извещателя. Высокая стоимость микропроцессорных управляющих устройств в данном извещателе существенно ограничивает их область применения.

Достижения последних лет в области создания волоконно-оптических датчиков позволили институту «Гипроуглеавтоматизация» Комитета по угольной промышленности при Министерстве топлива и энергетики РФ комплексно подойти к созданию и организации производства волоконно-оптических тепловых линейных пожарных извещателей и систем сигнализации, которые обладают:

• невосприимчивостью к электромагнитным полям;
• пожаро- и взрывозащищенностью;
• электробезопасностью;
• отсутствием ложных срабатываний;
• встроенной самодиагностикой состояния системы;
• простотой монтажа на объекте;
• малыми эксплуатационными расходами; высокой чувствительностью и стабильностью работы.

Принцип работы следующий: в волоконно-оптический кабель посылается световой импульс. При отсутствии заметных температурных градиентов вдоль кабеля импульс отражается от конца световода и возвращается через время, определяемое двойной длиной световода. При наличии температурных изменений на любом участке световода часть энергии светового импульса отражается на другой длине волны. Регистрируя по принципу радиолокации время возврата импульса, определяется координата аномалии. Измеряя амплитуду сигнала отраженного импульса на смещенной частоте, определяется температура в месте аномалии и ее градиент.

Измеряемыми параметрами являются:

• превышение градиента нарастания температуры по отношению к некоторой заданной величине;
• абсолютное значение температуры в любом месте на длине волоконно-оптического кабеля;
• координата места температурной аномалии.

Монтаж системы сводится к прокладыванию кабеля внутри и вне объекта и подключению его к блоку управления и регистрации. Это существенно упрощает монтаж системы противопожарной защиты, экономя множество медных проводов.

В настоящее время данная волоконно-оптическая система пожарной сигнализации успешно эксплуатируется по защите угольных конвейеров на шахтах Кузбаса.

Извещатель ИП-102

Извещатель предназначен для подачи сигнала о скачкообразном изменении температуры окружающей среды. Извещатель относится к числу генераторных. В качестве чувствительного элемента имеет батарею из термопар.  Извещатель дифференциального действия. Электрическая схема представлена на рис. 3. При скачкообразном изменении температуры малоинерционные спаи быстро нагреваются за счет большей площади поверхности, а температура инерционных (обычных) спаев повышается значительно медленнее, т.е. спаи имеют разную температуру, за счет чего возникает ТЭДС. Возникновение ТЭДС обусловлено интенсивным переходом свободных электронов при изменении температуры концов термопар. Электрод из материала с электронной проводимостью (более нагретый конец) приобретает положительный потенциал, а электрод из материала с дырочной проводимостью-отрицательный. Возникающая ТЭДС равна:

$$\large E_t=a_{ср}(T_{р}-T_{св})$$

где a_ср – среднее значение коэффициента ТЭДС электродов, В/°С; Т_р, Т_св – температура рабочего и свободного спаев.

Извещатель ИП-102 (торговое название ДПС-038) применяют во взрывоопасных помещениях классов В-Iа, В-Iб, В-Iг, В-II, В-IIа согласно ПУЭ. Защищаемая площадь до 30 м². Инерционность срабатывания до 7 с.

Модификацией извещателя ИП-102 является  автоматический пожарный извещатель ДПС-1АГ. Он также относится к группе дифференциальных. Чувствительным элементом у него служит батарея из 8 хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно. При резком повышении температуры окружающей среды в датчиках появляется ТЭДС и выдаётся сигнал на исполнительный блок БИ-2АЮ. Система срабатывает при нарастании температуры со скоростью не ниже 25 °С/с и одновременном нагревании трех извещателей не выше 150 °С.

Для защиты протяженных объектов, кабельных каналов, взрывоопасных помещений применяется извещатель пожарный тепловой многоточечный ИП-102-2×2. В конструкции чувствительного элемента извещателя используется комплект термопар, равномерно распределенных по длине на расстоянии до 150 м (на один блок сопряжения (БС)).

Шлейф АПС – искробезопасная цепь. Извещатель выпускается в термостойком (до +130 °С) исполнении и с механической защитой провода.

Порог срабатывания по скорости роста температуры 5 и 10 °С/мин. Инерционность 30 – 180 с.

Извещатель ИП-103

Извещатель предназначен для защиты резервуаров с ЛВЖ и ГЖ (ИП-103-1). Температура срабатывания по двум каналам извещателя от 70 до 140 °С. Извещатель состоит из чувствительного элемента, защитной (вводной) коробки с крышкой и уплотнительных прокладок. Он устанавливается на резервуаре с помощью специального фланца с резьбой. Чувствительный элемент выполнен в виде двух биметаллических датчиков, настроенных на температуру срабатывания 140 °С. Чувствительный элемент крепится к вводной коробке и помещается в защитную втулку, выполненную из коррозионностойкой стали. Извещатель имеет взрывобезопасный уровень взрывозащиты типа «взрывонепроницаемая оболочка», маркировку по взрывозащите IЕхdIIАТ3. При нагревании биметаллическая пластина изгибается и разрывает контакт электрической сигнализации. Инерционность извещателя не превышает 60 с.

Для защиты взрывоопасных помещений, объектов с агрессивной средой также применяется извещатель ИП-103-2 (ТРВ-2). Нормальная работа извещателя (рис. 4) гарантируется при температуре окружающей среды от -30 до + 50 °C и относительной влажности воздуха до 98%.

Принцип действия извещателя основан на различии коэффициентов линейного расширения латунной трубки и инварового стержня, находящегося внутри нее. Извещатель имеет две контактные группы, которые обеспечивают срабатывание ИП при температурах 70 и 120 °С с инерционностью не более 60 с. Окружающая среда может содержать взрывоопасные смеси газов с воздухом категорий IIа и IIб и групп Т1-Т4.

Взрывозащищенность извещателя достигается за счет заключения электрических частей во взрывонепроницаемую оболочку, которая выдерживает давление взрыва и исключает его передачу в окружающее пространство.

К этой же группе устройств относится автоматический биметаллический максимально-дифференциальный извещатель типа МДПИ-028. Чувствительным элементом извещателя являются две биметаллические спирали Архимеда, одна из которых расположена в закрытой камере, другая — в открытой. При быстром изменении температуры окружающей среды (V=30 °С/мин) извещатель срабатывает как дифференциальный. При этом открытая спираль прогревается быстрее, чем закрытая, разрывая контактную группу. При медленном повышении температуры обе спирали прогреваются одинаково и извещатель срабатывает как максимальный при достижении порога срабатывания 70 или 90 °С. Инерционность извещателя составляет 120 с.

Для защиты производственных помещений используется извещатель тепловой ИП-103-4/1. В извещателе в качестве чувствительного элемента используется миниатюрное термореле. Благодаря высокой надежности, относительно небольшой стоимости эта разработка в различных модификациях нашла широкое применение для защиты объектов народного хозяйства.

Извещатель ИП-104

Извещатель тепловой легкоплавкий длительное время широко применялся благодаря простоте конструкции и возможности подключения в установки охранно-пожарной сигнализации. Извещатель разового действия, неремонтируемый. В качестве чувствительного элемента применены две подпружиненные металлические пластины, соединенные сплавом Вуда, с температурой плавления 70–74 °С. При нагревании сплав расплавляется и пружинящие контактные пластины размыкают цепь сигнализации.

К недостаткам извещателя следует отнести старение сплава в течение длительного времени эксплуатации, а значит, увеличения его инерционности, невозможность проведения проверки работоспособности непосредственно контактной группы.

Извещатель тепловой магнитный ИП-105

Извещатель пожарный тепловой магнитный ИП-105-2/1 (ИТМ) предназначен для работы в закрытых помещениях наземных объектов и рассчитан на непрерывную круглосуточную работу. Применяется в установках пожарной и охранно-пожарной сигнализации, воспринимающих сигнал о размыкании шлейфа сигнализации. Чувствительным элементом извещателя является геркон с закрепленной на нем магнитной системой, состоящей из постоянного магнита и никель-цинковых ферритов (рис. 5). При нормальных условиях геркон под действием продольного магнитного поля, образуемого постоянными магнитами и стабилизируемого ферритами, замкнут.

Сила притяжения пластин F_м определяется величиной магнитного потока Ф в зазоре разомкнутого магнитного контакта и площадью соприкосновения S_п.

$$\large F_м=\frac{Ф^2}{8ПS_п}$$

При повышении температуры окружающей среды до 70 °С магнитная проницаемость ферритов резко падает, что ведет к ослаблению магнитного поля и размыканию контактов.

Исчезновение магнитных свойств ферритов при достижении температуры в «точке Кюри» объясняется тем, что энергия теплового движения становится больше, чем энергия ориентирующего внутреннего молекулярного поля. Температурный коэффициент магнитной проницаемости В определяется по изменению проницаемости материала в зависимости от изменения его температуры по формуле

$$\large B=\frac{\mu_2-\mu_1}{\mu_1(t_2-t_1)}$$

где µ₁, µ₂ – магнитная проницаемость материала при температуре t₁, t₂.

Извещатель устанавливается в помещениях и на элементах конструкций, не имеющих собственного магнитного поля. Температура срабатывания извещателя 70 °С. Инерционность срабатывания до 120 с.

Эффективная инженерная разработка предложена фирмой «FITTICH — ECURITON» для защиты протяженных объектов и помещений с помощью тепловых пожарных извещателей линейного типа «TRANSAFE ADW511»(ИП-107 по российской классификации). Извещатель максимально-дифферен-циальный предназначен для использования во взрывоопасных зонах и помещениях с агрессивной средой.

«TRANSAFE ADW511» состоит из мембранного датчика давления с электронным блоком обработки сигнала, к которому подключена медная измерительная трубка, выполняющая роль термочувствительного элемента. Принцип действия основан на увеличении объема газа (воздуха) в чувствительном элементе (ЧЭ) – медной сенсорной трубке диаметром D = 4/5 мм (внутренний/наружный диаметр) и в герметичной пневмосистеме с последующим фиксированием увеличения давления датчиком контроля типа ADW511 с программным обеспечением. Чувствительный элемент (сенсорная трубка) имеет длину от 20 до 130 м. Для удобства монтажа и технического обслуживания системы пожарной сигнализации рекомендуется подвеска ЧЭ с использованием крепежных хомутов и скользящих скоб. Подключение извещателя осуществляется к приемному пульту серии BMZ 345 или «SecuriPro» («SECURITON»).

Система обнаружения очага пожара особенно эффективна на объектах с экстремальными условиями работы (загазованность, загрязненность, низкие или высокие температуры, взрывоопасность, химическая активность и т.д.). «TRANSAFE ADW511» можно успешно использовать также для защиты протяженных туннелей метро, кабельных каналах, складах ЛВЖ и химикатов.