И.Г. Неплохов технический директор компании "ЦЕНТР-СБ", к.т.н. [20/08/2008]

Версия для печати

Статья опубликована в журнале "Системы безопасности" №3, 2008г.

Дымовые оптико-электронные пожарные извещатели широко используются для защиты от пожара. Они обеспечивают раннее обнаружение пожара, на этапе тления очага.

В отличии от тепловых извещателей дымовые реально защищают жизнь людей, обнаруживая пожароопасную ситуацию до заполнения основной части помещения дымом и угарным газом. Однако хорошо известны и недостатки оптических дымовых извещателей – это ложные срабатывания от пыли, пара, аэрозолей и т.д. Для защиты от этих воздействий используются дополнительные сенсоры, например, контролирующие концентрацию угарного газа, изменение температуры, что значительно повышает стоимость извещателя. В аспирационных извещателях с этой целью устанавливаются дополнительные фильтры с ячейкой порядка 30 микрон. Однако существует значительно более дешевое техническое решение, которое не только защищает дымовой извещатель от ложных срабатываний, но и в отличие от мультисенсорных технологий одновременно устраняет другой недостаток - повышает его чувствительность по «черным» дымам до уровня радиоизотопного извещателя. Этот способ основан на зависимости уровня рассеянного сигнала от диаметра частиц и от длины волны излучателя, при использовании в оптопаре двух излучателей с различными длинами волны.

Свойства дымов различного типа

Дым состоит из видимых и невидимых частиц различного размера, его структура зависит от вида очага и условий окружающей среды. Дымовые пожарные извещатели в зависимости от реализованного физического процесса обнаружения, схемотехнических и конструктивных особенностей имеют не одинаковую чувствительность к дымам различных типов. Линейные оптико-электронные детекторы, использующие технологию затухания света при прохождении через контролируемую зону, определяют как видимые, так и невидимые частицы. Их чувствительность достаточно стабильна по отношению к изменению размеров частиц дыма. Радиоизотопные детекторы, определяющие наличие дыма посредством ионизации молекул воздуха в дымовой камере имеют линейную, обратно пропорциональную зависимость чувствительности от размера частиц. Они наиболее чувствительны к присутствию очень мелких, невидимых частиц размером начиная с 10 нм, реагируют даже на изменение влажности воздуха из-за чего приходится вводить дополнительную компенсационную камеру. Объясняется это тем, что с уменьшением размера частиц, при их постоянной массе увеличивается их суммарная поверхность, на которой происходит рекомбинация ионов и, соответственно, на большую величину снижается ионизационный ток, протекающий через камеру. Оптико-электронные детекторы, использующие технологию рассеянного света [1], имеют максимальную чувствительность по дымам, размер частиц которых соизмерим с длиной волны, и имеют максимальную чувствительность по дымам с видимыми частицами размером порядка 0,5 - 1 микрона. На рис. 1 показан относительной уровень чувствительности этих трех способов дымоопределения в зависимости от диаметра частиц, при условии постоянства их суммарной массы [2].

Рис. 1. Относительная чувствительность детекторов в зависимости от размера частиц дыма. Способы детектирования: А – рассеяние света, В – затухание света, С – ионизационный

Считается, что размер частиц дыма варьируется, начиная от 0,1 микрона в диаметре, преобладающих в горящем пламени, до частиц, которые могут быть крупнее на порядок и более, что является характеристикой очага в беспламенной стадии горения [3]. Фактический размер частиц зависит от совокупности многих переменных, например, от физического состава очага, концентрации кислорода в воздухе, характера газообмена и от других параметров окружающей среды, особенно от влажности. Более того, размер частиц дыма не постоянен во времени, по мере охлаждения газа, частицы размером меньше микрона соединяются друг с другом и самые крупные частицы выпадают в осадок. Другими словами, при удалении дыма от очага в распределении размера частиц наблюдается относительное снижение числа частиц минимального размера. Частицы пара, бытовых аэрозолей и пыли имеют значительно большие размеры. Известны достаточно эффективные технические решения, в которых для защиты дымовых извещателей от пыли и пара используются фильтры с ячейкой около 30 микрон.

При тлеющих пожарах с участием углеродосодержащих материалов в основном выделяются серые дымы с размером частиц соизмеримым с 1 мкм, при горении пластмасс и горючих жидкостей образуются аэрозоли с меньшими размерами частиц. Достаточно широко спектр дымов определен тестовыми очагами по европейским стандартам EN 54-7, EN 54-12, EN 54-20 и т.д., использующимися для сертификационных испытаний дымовых детекторов. Эти тестовые очаги также приведены в ГОСТ Р50898-96 "Извещатели пожарные. Огневые испытания". Определено шесть тестовых очагов: TF1 – горение древесины, TF2 – тление древесины, TF3 – тление хлопка, TF4 – горение пенополиуретана, TF5 – горение N-гептана, TF6 – горение спирта. Испытания проводятся в помещении площадью 70 м2, высотой 4 м, в стандартах определены не только состав и размеры очага, но и способы их активизации, что позволяет обеспечить повторяемость результатов. Тестовые очаги имеют малые размеры и имитируют начальную стадию развития пожара. На рис. 2 для тестовых очагов TF1 – TF6 приведены номограммы характеризующие соотношение в составе дымов невидимых частиц малого размера, видимых частиц крупного размера и степень выделения тепла [4]. Дымы тлеющих очагов TF2 и TF3 содержат значительную часть крупных частиц, дымы очагов с открытым пламенем в основном состоят из частиц меньшего размера. При горении спирта дым практически не выделяется и тестовый очаг TF6 при испытаниях дымовых пожарных извещателей не используется.

Рис.2. Соотношение различных факторов при различных тестовых очагах

Физическая модель оптического извещателя

В дымовых оптико-электронных извещателях используется оптопара – светодиод и фотодиод, расположенные в дымовой камере таким образом, что при отсутствии дыма на фотодиод попадает минимальный уровень сигнала. При появлении дыма сигнал фотодиода резко увеличивается за счет рассеяния излучения светодиода на частицах дыма (рис. 3).

Рис. 3. Принцип действия оптического извещателя

Уровень и диаграмма рассеянного сигнала в основном зависят от соотношения размеров частиц и длинны волны света. Рассеяние света на частицах размером меньше 1/10 длины волны, молекулярное рассеяние впервые было изучено и описано Рэлеем [1]. По закону Рэлея интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Рассеяние аксиально-симметрично относительно направления распространения падающей волны. При неполяризованной волне максимумы рассеяния, направленные вперед и назад, одинаковы по величине, минимальное рассеяние наблюдается в перпендикулярном направлении.

Теорию рассеяния при больших размерах частиц развил немецкий физик Густав Ми в 1908 году. Этот вид рассеяния, названный по его имени «рассеянием Ми», существенно отличается от рэлеевкого рассеяния. С увеличением относительного размера частиц появляется асимметрия рассеяния, увеличивается рассеяние направленное вперед. При дальнейшем увеличении относительных размеров частиц происходит существенное изменение диаграммы рассеяния. Она еще больше вытягивается вперед и становится изрезанной по другим направлениям, появляются боковые максимумы.

В дымовых оптических извещателях традиционно используются светодиоды инфракрасного диапазона с длинной волны порядка 950 нм с расположением оптических осей под углом порядка 1200. Соответственно изрезанность диаграммы в этом случае будет отсутствовать при наличии дыма с частицами размером порядка 0,5 микрон. При больших размерах частиц дыма диаграмма рассеяния становится более узкой и уровень сигнала в направлении фотодиода снижается.

Синий светодиод в дымовом извещателе

В 1990 году японский изобретатель Судзи Накамура из корпорации Nichia Chemical Industries изобрёл дешёвый синий светодиод, и к 1993 году был начат индустриальный выпуск синих светодиодов. Длина волны синего светодиода равна 470 нм, т.е. в два раза меньше длины волны инфракрасного светодиода. Соответственно, их использование в оптопаре позволяет обнаруживать более мелкие частицы дыма, для обнаружения которых ранее использовались радиоизотопные извещатели. В этом случае кривая чувствительности на графике рис. 1 сместится в лево и максимум будет располагаться в районе дымов с размерами частиц порядка 235 нм (0,235 микрона). Кроме того, анализируя соотношение уровня рассеянного света одновременно в инфракрасном и в синем диапазоне стало возможно оценить размеры частиц в диапазоне примерно от 0,2 до 1 микрон. На рис. 4 приведена зависимость отношения уровня рассеяния излучения синего светодиода к уровню рассеяния инфракрасного светодиода, полученная в оптической камере при использовании частиц полистирола различного размера. Интенсивность рассеяния синего света мелкими частицами размером менее 0,2 микрон в 15 раз выше интенсивности рассеяния инфракрасного света. С увеличением размера частиц это отношение уменьшается и при размере частиц около 1 микрона стабилизируется на минимальном уровне [5].

Рис. 4. Отношение рассеяния синего света к инфракрасному в зависимости от размера частиц

Используя этот эффект одна из японских корпораций предложила простой способ защиты дымового извещателя от воздействия пара и пыли. Был разработан, так называемый двухдиапазонный оптический пожарный извещатель: в дымовой камере был дополнительно установлен синий светодиод под тем же углом относительно фотодиода, что и инфракрасный светодиод. Производилось измерение сигнала фотодиода при излучении синего светодиода и при излучении инфракрасного светодиода. Далее производилась обработка результатов измерений.

Результаты экспериментальных исследований

Были проведены испытания двухдиапазонного оптического извещателя на тестовые очаги TF1, TF2, TF3, TF4, TF5 и на воздействие пыли и пара. На рис. 5, 6 для примера приведены уровни отражения от синего и инфракрасного светодиодов и их отношение при очагах TF1 - горение древесины и TF2 – тление древесины. Отношение сигналов на выходе фотодиода при включении синего и инфракрасного светодиодов в процессе испытаний практически не изменялось и находилось в первом случае в районе 5, во втором в районе 2. Необходимо также отметить, что обнаружение дыма при открытом горении дерева в синем диапазоне происходит значительно раньше по сравнению с инфракрасным диапазоном, что показывает существенно большую эффективность оптических извещателей синего диапазона для обнаружения очагов открытого пламени, по сравнению с традиционными инфракрасными извещателями.

Рис. 5. Сигналы в синем и инфракрасном диапазонах и их отношение при очаге TF1

Рис. 6. Сигналы в синем и инфракрасном диапазонах и их отношение при очаге TF2

На рис. 7 приведены распределения значений отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазоне при проведении тестов с очагами TF1, TF2, TF3, TF4, TF5, а так же при воздействии пара, пыли и бытовых аэрозолей для волос, которые являются основными причинами формирования ложных тревог оптическими извещателями. В зависимости от типа очага были получены различные значения отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазоне, однако в наихудшем случае при очаге TF2 минимальное отношение около 2, а при воздействии частиц не связанных с пожаром, отношение примерно равно 1. Это объясняется тем, что размер частиц пара, пыли и аэрозоли превышает длину волны и синего светодиода и инфракрасного светодиода. Данные результаты показываю возможность идентификации вида воздействия в двухдиапазонном оптическом извещателе. Порог для разделения дымов и других воздействий не связанных с пожаром был установлен на уровне 1,4. Если отношение сигналов превышает 1,4 – извещатель формирует сигнал Пожар, если не превышает 1,4 – сигнал Пожар не формируется.

Рис. 7. Статистика отношения сигналов в синем и инфракрасном диапазонах (при тестовых очагах TF1 – TF5 и при воздействии пара, пыли и бытовой аэрозоли)

Дальнейшем развитием алгоритма обработки результатов измерений в двухдиапазонном оптическом извещателе стало использование канала синего диапазона для выравнивания чувствительности по очагам с открытым пламенем и по тлеющим очагам, введение дополнительного порога для выявления очагов с открытым пламенем и введением компенсации для получения чувствительности на уровне ионизационного извещателя, а так же введение компенсации запыления по каждому каналу.

Литература

1. Матвеев А.Н. Оптика. – М.: Высш. шк., 1985. – 351 с., ил.
2. Richard W. Bukowski, "Smoke Measurements In Largeand Small Scale Fire Testing", NBS IR78-1502.
3. Драйздейл Д. Введение в динамику пожаров/Пер. с англ. К.Г. Бомштейна; Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова.- М.: Сторйиздат, 1990. – 424 с.: ил.
4. Стив Скорфилд. Мировые тенденции развития рынка пожарных извещателей. Журнал "Системы безопасности S&S", Groteck, №1, 2004.
5. Dual Optical Detectors. Fire Safety Engineering. May 2005.

Посмотреть обсуждение этой статьи в Форуме