УДК 681.586.5
ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА
EXPLOSION PROOF FIBER-OPTIC FIRE DETECTOR. THE MATHEMATICAL MODEL OF THE SENSING ELEMENT
Казаков Василий Иванович
аспирант, мл. научн. сотрудник, ассистент Е-mail: vasilykazakov@mail.ru
Москалец Олег Дмитриевич
канд. техн. наук, доцент Е-mail: molegd@mail.ru
Пресленев Леонид Николаевич
канд. техн. наук, доцент Е-mail: presleon@lp11816.spb.edu
Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Факультет радиотехники, электроники и связи
Кафедра конструирования и технологии электронных и лазерных средств
Аннотация: В рамках проблемы раннего обнаружения пожаров на объектах, относящихся к категории взрывоопасных, рассмотрен принцип построения волоконно-оптического дымового пожарного извещателя. Приведено описание распространения оптического излучения через чувствительный элемент дымового волоконно-оптического пожарного извещателя. Ключевые слова: пожарный извещатель, взрывозащита, взрывоопасная зона, оптическое волокно.
ВВЕДЕНИЕ
Современные темпы развития экономики привели к тому, что концентрация материальных ценностей на единицу окружающего пространства увеличивается с каждым днем. Такая тенденция потребовала от человека создания различных способов защиты этих ценностей от порчи, хищения, уничтожения и т. д. Особую опасность представляют пожары. Возникновение пожара на объектах особой важности может привести к тяжелейшим последствиям, включая экологические катастрофы, что вызывает необходимость активных разработок методов контроля и защиты таких объектов от пожара.
Одной из актуальнейших задач противопожарной обороны является защита объектов с повышенным уровнем радиации и с наличием агрессивных химических сред. Корабли военно-морского флота, имеющие ядерные энергетические установки и несущие термоядерное оружие на борту, являются особо опасными в экологическом отношении в случае возникновения пожара. На
Kazakov Vasily I.
Postgraduate, Associate Scientist, Lecturer Е-mail: vasilykazakov@mail.ru
Moskaletz Oleg D.
Ph.D. (Technical), Associate Professor Е-mail: molegd@mail.ru
Preslenev Leonid N.
Ph.D. (Technical), Associate Professor Е-mail: presleon@lp11816.spb.edu
Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication
Chair of designing and technology of electronic and laser means
Abstract: In the context of problem of early detection of fires at the explosive zone the principle of design of the fiber optic smoke detectors is described. The description of optical radiation propagation through the sensing element of fiber optic smoke fire detector is proposed.
Keywords: fire detector, explosion protection, explosive zone, optical fiber.
объектах такого рода традиционные средства раннего обнаружения пожаров не могут использоваться или требуют разработки специальной и дорогой защиты.
Практически на любом современном производстве выделяются взрывоопасные зоны, возможность взрыва в которых появляется в случае нарушения технологического процесса, при аварии и т. д. К взрывоопасным зонам относятся лакокрасочные цехи, склады взрывчатых веществ, горюче-смазочных материалов, мукомольное и табачное производства.
Любой пожар сопровождается изменением характеристик окружающей среды, обусловленным развитием очага горения и возникновением конвективного теплового потока над ним. К таким факторам можно отнести: повышение температуры окружающей среды, появление дыма и продуктов горения, а также электромагнитное излучение пламени. Пожарные извещатели построены таким образом, чтобы обеспечить реакцию на появление одного или нескольких параметров, сопровождающих пожар. Следует отметить, что одним из ранних
Лазер
Рис. 1. Структурная схема извещателя
факторов пожара является появление дыма. Поэтому разработке дымовых пожарных извещателей уделяется особое внимание.
В последнее время активно ведутся работы по созданию пожарных извещателей на базе волоконно-оптических технологий. В частности, известны варианты тепловых извещателей, где оптическое волокно используется в качестве чувствительного элемента [2]. Кроме того, на кафедре электроники и оптической связи ГУАП был разработан абсолютно взрывобезопасный линейный дымовой пожарный извещатель [3]. Принцип работы такого извещателя основан на формировании параллельного пучка оптического излучения с торца оптического волокна, расположенного на одной стене, и его фокусировке на другой торец волокна на противоположной стене защищаемого помещения. Конструкция извещателя гарантирует взрывобезопасность, поскольку лазерное излучение и конструкционные элементы (оптическое волокно, линзы) не могут служить источником искры, а формирование и обработка измерительного оптического сигнала производится вне защищаемого помещения.
СТРУКТУРНАЯ СХЕМА И ПРИНЦИП РАБОТЫ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ДЫМОВОГО ТОЧЕЧНОГО ПОЖАРНОГО ИЗВЕЩАТЕЛЯ
На рис. 1 показана структурная схема взрывобезо-пасного волоконно-оптического дымового пожарного извещателя.
В состав извещателя входят: лазер, оптический раз-ветвитель, отрезки оптического волокна ОВ1, ОВ2, ОВ3, коллимирующая Л1 и фокусирующая Л2 линзы, блок обработки сигналов БОС.
Принцип работы данного извещателя заключается в следующем [4]. Излучение от лазера попадает на оптический разветвитель. С первого выхода оптического разветвителя по оптическому волокну ОВ1 излучение проходит систему, состоящую из коллимирующей и фокусирующей линз, и далее вводится в торец оптического волокна ОВ2, соединенного с блоком обработки сигналов. Второй выход разветвителя соединен оптическим волокном ОВ3 со вторым входом блока обработки сигналов.
На рис. 2 приведены временные диаграммы сигналов различных структурных элементов блока обработки: фотоприемных устройств, компаратора и решающего устройства. Всю диаграмму можно условно разделить на шесть временных интервалов, поясняющих различные режимы работы блока обработки.
1. Штатный режим работы извещателя. В этом случае уровень сигнала первого фотоприемного устройства составляет величину Щ, а второго — Ь^. Величина сигнала компаратора равна разности уровней сигналов фотоприемных устройств: Ьк = — Щ. Разность уровней сигналов возникает из-за внесения дополнительных потерь при распространении оптического излучения через чувствительный элемент извещателя. Сигнал на выходе решающего устройства отсутствует (ЬРу = 0), что соответствует штатному режиму работы извещателя.
2. Следующий режим, который может возникнуть при работе извещателя — нестабильность характерис-
Рис. 2. Временные диаграммы сигналов блока обработки
Рис. 3. Структурная схема блока обработки сигналов
тик лазера. В этом случае уровни сигналов Ц и будут изменяться одновременно, поэтому сигнал на выходе компаратора останется неизменным, что никак не скажется на работе решающего устройства.
3. Этот режим соответствует появлению дыма между линзами чувствительного элемента. Это приводит к постепенному уменьшению уровня сигнала Ь^. При этом сигнал остается постоянным. Таким образом, уровень сигнала на выходе компаратора увеличивается. При достижении определенной пороговой величины ип происходит срабатывание решающего устройства.
4. Этот временной интервал предназначен для предварительной обработки сигнала, извещающего о превышении порогового уровня и снижении вероятности ложных срабатываний при случайном попадании посторонних предметов между линзами или о кратковременном падении уровня сигнала, вызванном иными причинами. Обычно длительность этого интервала составляет от 5 до 10 с.
5. В том случае, если уровень сигнала на выходе компаратора превышает пороговое значение более 10 с, происходит выдача сигнала тревоги, что соответствует уровню сигнала решающего устройства Ц,у = А^.
6. Если происходит аварийный выход из строя лазера, то уровни сигналов Щ и будут нулевыми, и соответственно сигнал на выходе компаратора также будет равен 0. Это приводит к переводу решающего устройства в режим "Неисправность", что соответствует уровню сигнала Щу = А2.
Второй вход блок обработки сигналов служит для контроля стабильности излучения лазера и снижения вероятности ложной тревоги в случае изменения его характеристик; БОС представляет собой два фотоприемника ФПУ, выходы которых соединены со входами компаратора. На первый фотоприемник подается сигнал, прошедший систему линз. Второй фотоприемник детектирует сигнал с оптического волокна ВО3. Выход компаратора соединен с решающим устройством, позволяющим генерировать три уровня сигналов, соответствующих следующим режимам работы: "штатная работа", "тревога" и "неисправность". На рис. 3 приведена структурная схема блока обработки сигналов.
Оптическое волокно служит средством передачи информации о пожарной обстановке, совмещая в себе превосходные характеристики переносчика информации в пожарных системах: гибкость, простота эксплуатации, долговечность, широкий диапазон рабочих температур.
ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗВЕЩАТЕЛЯ И ЕГО МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Структурная схема чувствительного элемента представляет собой последовательно расположенные на одной оптической оси торец оптического волокна ВО1, коллимирующую линзу Л1, фокусирующую линзу Л2 и торец оптического волокна ОВ2 (см. рис. 1). Обе линзы расположены на фокусном расстоянии от торцов волокон, что позволяет формировать квазипараллельный оптический пучок и затем наиболее эффективно ввести его в оптическое волокно. На рис. 4 показан лабораторный образец чувствительного элемента точечного дымового волоконно-оптического пожарного извещателя, изготовленного на кафедре электроники и оптической связи ГУАП. Второй отрезок оптического волокна отсутствует для демонстрации линзы, помещенной в корпус чувствительного элемента.
В докладе [5] обсуждается возможность построения абсолютно взрывобезопасного дымового точечного пожарного извещателя на основе волоконно-оптических технологий. При этом вопросы формирования и распространения волновых пучков в чувствительном элем
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.