Способ раннего обнаружения пожара и

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов. Технический результат — повышение помехоустойчивости устройства и точности определения идентификационного номера объекта пожарной безопасности и его координат путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит датчики для измерения газовых компонентов, усилители, аналого-цифровые преобразователи, микропроцессор, формирователь сигнала тревоги, световой сигнализатор, звуковой сигнализатор, формирователь модулирующего кода, задающий генератор, фазовый манипулятор, усилитель мощности, передающую антенну, приемную антенну, усилитель высокой частоты, гетеродин, смесители, усилители промежуточной частоты, делитель фазы на два, узкополосные фильтры, удвоитель фазы, фазовращатели на 90°, фазовый детектор, блок регистрации, сумматор, перемножитель, амплитудный детектор и ключ. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ раннего обнаружения пожара, основанный на том, что измеряют текущее значение концентраций в воздухе газовых компонентов, выбранных из группы, состоящей из водорода, окиси углерода, двуокиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание по частоте ωпр/2, удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ωпр/2, сдвигают его по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличающийся тем, что выделяют первое напряжение промежуточной частоты, сдвигают по фазе на 90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, суммируют его с первым напряжением промежуточной частоты, суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ωг гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки суммарного напряжения промежуточной частоты.

2. Устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее n датчиков концентраций в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигнала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношений текущих значений концентраций и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением, к второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, к выходу делителя фазы на два последовательно подключены первый узкополосный фильтр, удвоитель фазы, второй узкополосный фильтр, первый фазовращатель на 90°, фазовый детектор и блок регистрации, отличающееся тем, что оно снабжено вторым и третьим фазовращателями на 90°, вторым смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, сумматором, перемножителем, третьим узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты, третий фазовращатель на 90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу делителя фазы на два и к второму входу фазового детектора.

Предлагаемые способ и устройство относятся к области пожарной безопасности и могут быть использованы для обнаружения пожара на ранних стадиях тления и возгорания горючих материалов. Известны способы и устройства раннего обнаружения пожара (патенты РФ №№2.207.631, 2.110.094, 2.078.377, 2.177.179, 2.256.228, 2.256.231, 2.340.002; патенты США №№5.049.861, 5.079.422; патент ЕР №0.940.679; патент WO №0.948.070; Шаровар Ф.И. Устройства и системы пожарной сигнализации. — М.: Стройиздат, 1985, с.292-295 и другие).Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются «Способ раннего обнаружения пожара и устройство для его реализации» (патент РФ №2.340.002, G08B 17/117, 2007), которые и выбраны в качестве прототипов.Известные технические решения обеспечивают расширение зоны мониторинга объектов пожарной безопасности и своевременную передачу сигналов тревоги с объектов пожарной безопасности в пожарную службу и/или на диспетчерский пункт наблюдения путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией. При этом устройство для приема сигналов с фазовой манипуляцией, размещаемое в пожарной службе и/или на диспетчерском пункте наблюдения, построено по супергетеродинной схеме, в которой одно и то же значение промежуточной частоты ωпр может быть получено в результате приема сигналов на двух частотах ωс и ωз, т.е.ωпр=ωс-ωг и ωпр=ωг-ωз.Следовательно, если частоту настройки ωс принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота ωз которого отличается от частоты ωс на 2ωпр и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты ωг гетеродина.Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования Кпр, что и по основному каналу (фиг.6). Поэтому он наиболее существенно влияет на изобретательность и помехоустойчивость устройства.Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия:ωпр=|±m·ωki±n·ωг|,где ωki — частота i-го комбинационного канала приема;m, n, i — целые положительные числа.Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники частоты сигнала с гармониками частоты гетеродина малого порядка (второй, третий и т.д.), так как чувствительность устройства по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, двум комбинационным каналам при m=1 и n=2 соответствуют частоты:ωk1=2ωг-ωпр и ωk2=2ωг+ωпр,где 2ωг — вторая гармоника частоты гетеродина.Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости устройства и точности определения идентификационного номера объекта пожарной безопасности и его координат.Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости устройства и точности определения идентификационного номера объекта пожарной безопасности и его координат путем подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам.Поставленная задача решается тем, что способ раннего обнаружения пожара, основанный в соответствии с ближайшим аналогом на том, что измеряют текущие значения концентрации в воздухе газовых компонентов, выбранных из групп, состоящих из водорода, окиси углерода и ароматических углеводородов, выделяющихся при тлении горючих материалов, определяют соотношение измеренных концентраций газовых компонентов, которое сравнивают с заданным его значением, при этом сигнал тревоги формируют при совпадении указанных значений соотношений концентрации газовых компонентов, формируют наряду с сигналом тревоги высокочастотное колебание и модулирующий код, отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности и его координаты, манипулируют высокочастотное колебание по фазе модулирующим кодом, усиливают по мощности сформированный сложный сигнал с фазовой манипуляцией, излучают его в эфир, улавливают на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе, преобразуют по частоте, делят по фазе на два, выделяют гармоническое колебание на частоте ωпр/2, удваивают его фазу, выделяют гармоническое колебание на промежуточной частоте ωпр, сдвигают его по фазе на 90° и используют в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования принимаемого сигнала с фазовой манипуляцией на промежуточной частоте, выделяют и регистрируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, отличается от ближайшего аналога тем, что выделяют первое напряжение промежуточной частоты, сдвигают по фазе на 90° напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте принимаемого сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, суммируют его с первым напряжением промежуточной частоты, суммарное напряжение промежуточной частоты перемножают с принимаемым сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ωг гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки суммарного напряжения промежуточной частоты.Поставленная задача решается тем, что устройство для раннего обнаружения пожара, содержащее в соответствии с ближайшим аналогом на объекте пожарной безопасности n датчиков концентрации в воздухе газовых компонентов, выделяющихся при тлении горючих материалов, при этом каждый датчик посредством последовательно соединенных согласующего усилителя и аналого-цифрового преобразователя связан с микропроцессором, подключенным к формирователю сигала тревоги и предназначенным для сопоставления текущих значений измеренных датчиками концентраций газовых компонентов с одновременным формированием соотношения текущих значений концентрации и сравнения сформированного соотношения с заданным его значением. К второму выходу микропроцессора последовательно подключены задающий генератор, фазовый манипулятор, второй вход которого через формирователь модулирующего кода соединен со вторым выходом микропроцессора, усилитель мощности и передающая антенна, а на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе к выходу приемной антенны последовательно подключены усилитель высокой частоты, первый смеситель, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, к выходу делителя фазы на два последовательно подключены первый узкополосный фильтр, удвоитель фазы, второй узкополосный фильтр, первый фазовращатель на 90°, фазовый детектор и блок регистрации, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено вторым и третьим фазовращателями на 90°, вторым смесителем, вторым усилителем промежуточной частоты, сумматором, перемножителем, третьим узкополосным фильтром, амплитудным детектором и ключом, причем к второму выходу гетеродина последовательно подключены второй фазовращатель на 90°, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, второй усилитель промежуточной частоты, третий фазовращатель на 90°, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя высокой частоты, третий узкополосный фильтр, амплитудный детектор и ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к входу делителя фазы на два и к второму входу фазового детектора.Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении хлопка, изображены на фиг.1. Временные зависимости концентраций основных газовых компонентов, выделяющихся при тлении древесины, изображены на фиг.2. Структурная схема устройства для раннего обнаружения пожара представлена на рис.3 и 4. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства, показаны на фиг.5. Частотная диаграмма, иллюстрирующая образование дополнительных каналов приема, показана на фиг.6.Устройство для раннего обнаружения пожара содержит n каналов, каждый из которых в виде, например, газового сенсора 1.i (i=1, 2, …, n), к которому подключены последовательно соединенные согласующий усилитель 2.i и аналого-цифровой преобразователь 3.i. Выход каждого аналого-цифрового преобразователя 3.i подсоединен к соответствующему входу микропроцессора 4, подключенного к формирователю 5 световых и звуковых сигналов тревоги, снабженного световым 6 и звуковым 7 сигнализаторами, при этом выход 8 формирователя 5 соединен с центральным концентратором пожарной охраны (не показан). Количество каналов зависит от количества газовых компонентов, концентрации которых измеряют одновременно на начальной стадии возгорания. Ко второму выходу микропроцессора 4 последовательно подключены формирователь 9 модулирующего кода, фазовый манипулятор 11, второй вход которого через задающий генератор 10 соединен с выходом микропроцессора 4, усилитель 12 мощности и передающая антенна 13.Устройство для приема сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн) содержит последовательно включенные приемную антенну 14, усилитель 15 высокой частоты, первый смеситель 17, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 16, и первый усилитель 18 промежуточной частоты, последовательно подключенные к второму выходу гетеродина 16 второй фазовращатель 26 на 90°, второй смеситель 27, второй вход которого соединен с выходом усилителя 25 высокой частоты, второй усилитель 28 промежуточной частоты, третий фазовращатель 29 на 90°, сумматор 30, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 18 промежуточной частоты, перемножитель 31, второй вход которого соединен с выходом усилителя 15 высокой частоты, третий узкополосный фильтр 32, амплитудный детектор 33, ключ 34, второй вход которого соединен с выходом сумматора 30, делитель 19 фазы на два, первый узкополосный фильтр 20, удвоитель 21 фазы, второй узкополосный фильтр 22, первый фазовращатель 23 на 90°, фазовый детектор 24, второй вход которого соединен с выходом ключа 34, и блок 25 регистрации.Устройство для приема сложных ФМн-сигналов устанавливается на диспетчерском пункте наблюдения и/или в пожарной службе.Устройство для раннего обнаружения пожара может быть реализовано на известных элементах отечественного и зарубежного производства, таких как полупроводниковые сенсоры типа ПГС-1 или сенсоры Model 911 фирмы «Sieges (Германия), MICS 1110 фирмы «Motorola» (США), микропроцессоры типа Р1С12С509-А фирмы «Motorola», стандартные АЦП типа АД9202 фирмы «Analog Devices» (каталог 1999 г.) и индикаторы разных марок.Предлагаемый способ реализуется следующим образом.Установлено, что для начальных стадий тления и возгорания большинства известных горючих материалов характерно выделение газовых компонентов, основными из которых являются водород (H2), окись углерода (СО), двуокись углерода (CO2) и ароматические углеводороды (CxHy), причем концентрации этих газов изменяются во времени.Экспериментально полученные временные зависимости концентраций в воздухе водорода, окиси углерода и ароматических углеводородов, в первые несколько минут после начала тления хлопка и древесины, показаны соответственно на фиг.1 и 2, где К — текущее значение концентрации газового компонента в воздухе в процентах.Анализ графиков показывает, что в течение первых минут тления идет резкое газовыделение одновременно нескольких газов, а именно водорода, ароматических углеводородов, окиси углерода и двуокиси углерода.Значения концентраций выделяемых газов для разных горючих материалов могут быть различны, но выделение окиси углерода всегда сопровождается выделением водорода, ароматических углеводородов и двуокиси углерода. При этом значения соотношений концентраций перечисленных газов лежат в определенных пределах.Установлено, что в первые 2-3 минуты начала процесса тления основных горючих материалов соотношения концентраций в воздухе ароматических углеводородов, водорода, окиси углерода и двуокиси углерода в каждый текущий момент времени составляют:KCxHy:Кн2:KCO:Ксо2=1:1.5-2.5:6.0-8.5:2.5-4.0При этом значения соотношения концентраций, например, водорода и окиси углерода лежат в пределах 1:2,4-5,6 в каждый текущий момент времени.Указанные выше соотношения концентраций основных газовых компонентов выбирают в качестве заданных соотношений величин, с которыми сравнивают соотношение текущих значений концентраций этих компонентов, и в случае их совпадения формируют сигнал тревоги.Каждый из полупроводниковых газовых сенсоров 1.1-1.n, чувствительный к воздействию одного из перечисленных газовых компонентов (Н2, СО, СО2, и CxHy), изменяет свою проводимость при измерении концентрации этого компонента в воздухе, в результате чего на выходе соответствующего сенсора 1.1-1.n появляется электрический сигнал, величина которого соответствует определенной концентрации этого газового компонента в воздухе. Затем этот сигнал усиливают и преобразуют с помощью соответствующего преобразователя 3.1.-3.n в цифровой сигнал.Микропроцессор 4 непрерывно или с заданной периодичностью, например, через 0,1-1 минуту опрашивает сенсоры 1.1-1.n, сопоставляет между собой поступившие с них текущие значения сигналов (соответствующие текущим значениям концентраций газовых компонентов в воздухе) и полученные соотношения текущих значений сигналов сравнивает с заданными соотношениями значений сигналов, записанными ранее и хранящимися в его памяти. При совпадении соотношений текущих значений сигналов с заданными соотношениями значений на формирователи 5 и 9 поступают сигналы, формирующие на них сигналы тревоги: световой, звуковой, а также сигнал, подаваемый с выхода 8 на центральный концентратор пожарной охраны, и модулирующий код M(t), отображающий идентификационный номер объекта пожарной безопасности, соответственно.Устройство вырабатывает устойчивый сигнал тревоги на второй-третьей минутах после начала искусственно вызванного тления строительного мусора, выбранного в качестве горючего материала. Например.На первой минуте тления строительного мусора, состоящего из тряпок с преобладающим содержанием хлопка, соотношение было:KCxHy:Кн2:KCO:Ксо2=1:2,6:6:3,7,на третьей минуте:KCxHy:Кн2:KCO:Ксо2=1:2,1:5:3.Соответственно соотношение водорода и окиси углерода на первой минуте:Кн2:KCO=1:2,3,а на третьей минуте:Кн2:KCO=1:2,4.При тлении строительного мусора с преобладающим составом древесины (стружка, щепа, шпон) на первой минуте соотношение:KCxHy:Кн2:KCO:Ксо2=1:1,6:8,5:3,на третьей минуте:KCxHy:Кн2:KCO:Ксо2=1:2,1:7:2,8.Соотношение Кн2:KCO=1:2,6 на первой минуте и Кн2:KCO=1:5,3 — на третьей минуте.При совпадении соотношения текущих значений концентрации основных газовых компонентов с заданными соотношениями в микропроцессоре 4 формируется сигнал, который с его второго выхода поступает на вход задающего генератора 10 и включает его.Задающий генератор 10 формирует высокочастотное колебание (фиг.5, а)Uc(t)=Vc·cos(ωc·t+φc), 0≤t≤Tc,где Vc, ωc, φc, Tc — амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания, которое поступает на второй вход фазового манипулятора 11, на первый вход которого подается модулирующий код M(t) с выхода формирователя 9 (фиг.5,б), отображающий идентификационный номер объекта безопасности.На выходе фазового манипулятора 11 образуется сложный ФМн-сигнал (фиг.5,в)U1(t)=Vc·cos[ωc·t+φk(t)+φc], 0≤t≤Tc,где φk(t)={0,π} — манипулирующая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t) (фиг.5, б), причем φk(t)=const при k·τэ