Пирометрический датчик пожарной сигнализации

7 марта 2007  |  Пожарные датчики



В промышленности большое количество технологических процессов связано с взрывоопасными газодисперсными системами: процессы осаждения пылей, пневмотранспортировка, размельчение материалов, сушка, хранение, сжигание, шлифовка поверхностей, механическая обработка горючих материалов, составление порошковых композиций и их прессование. Аварийные ситуации или нарушения технологических режимов могут создать условия для воспламенения газодисперсной системы, процесс горения которой может носить характер взрыва.

Необходимым условием возникновения взрыва является присутствие горючей пыли с концентрацией в пределах воспламенения и источника зажигания. Давление при таком взрыве сопровождается волной сжатия, скорость которой в окружающей среде от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров в секунду. Быстрое нарастание давления взрыва является в большинстве случаев достаточным для разрушения или повреждения оборудования. Эта опасность усиливается, если первоначальная вспышка пыли местного характера приводит в состояние аэрозоля значительные количества осаждённой пыли с её воспламенением. В этом случае взрыв может распространяться до тех пор, пока имеется горючая пыль. Эта особенность является наиболее важной для различения взрыва пылей от взрыва горючих газов и паров. Особенно опасна смесь, в которой находится в диспергированном состоянии горючая пыль, а газообразная фаза содержит горючие пары или газы. Более высокая чувствительность такой смеси к воспламенению легко приводит к разрушительному комбинированному взрыву пыли и газа (взрывы в угольных шахтах).

Обычные противопожарные средства для газодисперсных систем малоэффективны вследствие большой скорости распространения фронта пламени, в некоторых случаях переходящей в детонацию.

Для обеспечения взрывобезопасности и успешного подавления взрыва, необходимо обнаружить очаг развития взрыва на как можно более ранней стадии развития. Для этого необходим датчик с большой чувствительностью, малой инерционностью и независимостью его характеристик от свойств газопылевой среды.

Применяемые в пожарных системах датчики не удовлетворяют этим требованиям. Дымовые и ионизационные датчики срабатывают тогда, когда возгорание уже возникло. С помощью датчиков, основанных на термопарах и термосопротивлениях возможно обнаружить возрастание температуры ещё до начала возгорания, но такие датчики контролируют температуру в локальной области пространства, а инициализация взрыва может произойти в другом месте.

В процессах горения газопылевых систем, особенно на начальной стадии развития взрыва, большое значение имеет передача энергии посредством теплового излучения, т.к. дисперсная фаза имеет достаточно большой коэффициент поглощения. При достижении температуры воспламенения, до начала распространения взрыва имеет место период индукции. Поэтому, для предотвращения дальнейшего развития взрыва, существует возможность контролировать температуру газопылевой среды при помощи оптического датчика температуры, обладающего малой инерционностью и большой чувствительностью.

Так как газодисперсные системы имеют большую поглощающую способность, то для уменьшения влияния расстояния до точки возгорания и оптических свойств среды на значение контролируемой температуры, в качестве оптического датчика предлагается использовать пирометр спектрального отношения. Температура спектрального отношения не зависит от поглощающих свойств среды, если они не вносят изменений в спектр излучения.

Бийским технологическим институтом, кафедрой методов и средств измерений и автоматизации был получен патент [1] на пирометрический датчик пожарной сигнализации, предназначенный для обнаружения очага возгорания в газодисперсных средах на ранних стадиях.

В настоящее время в лаборатории проводятся исследования помехоустойчивости пирометрического датчика пожарной сигнализации, с целью выяснения необходимости применения специальных алгоритмов обработки информации для предотвращения влияния помех [2]. В ходе исследований возникла необходимость автоматизации проведения эксперимента и повышения его наглядности. Была сформулирована задача автоматизировать процесс проведения эксперимента и повысить наглядность экспериментальных данных. Для решения поставленной задачи, было предложено разработать лабораторную установку, позволяющую:
1. Реализовывать моделирование помех;
2. Выполнять сбор данных экспериментов;
3. Передавать, полученные в ходе экспериментов, данные на ПК.

Разработанная структурная схема лабораторной установки приведена на рисунке 1.


Пирометрический датчик пожарной сигнализации

Рис.1.

Рассмотрим основные блоки водящие в состав структурной схемы.

Центральным звеном лабораторной установки является пирометрический датчик пожарной сигнализации [1], со специально разработанным микроконтроллерным блоком. Пирометрический датчик работает следующим образом. Разделяет излучение от объектов, находящихся в контролируемой области, на два потока. В одном из потоков фильтром выделяется красная часть спектра излучения, во втором - синяя. Яркость каждого потока преобразуется в пропорциональное напряжение, которое подается на вход аналого-цифрового преобразователя, входящего в состав микроконтроллерного блока, на выходе которого появляется информация об потоке излучения в контролируемой области, в виде цифровых кодов пропорциональных соответствующим частям спектра излучения. Судить о температуре объекта можно по отношению этих кодов.

Было предложено, для повышения наглядности эксперимента, установить связь между датчиком и персональным компьютером, что обеспечивает большие возможности обработки результатов опыта. Выбор типа связи определяли следующие требования: низкая стоимость, двунаправленность и кроме того допускалась относительно невысокая скорость, поскольку микроконтроллерный блок датчика содержит объем памяти достаточный для проведения эксперимента. Во время опыта данные с обоих каналов датчика заносятся в память, а после окончания опыта передаются на компьютер. Поэтому был выбран последовательный интерфейс RS 232, т.е. имеющийся в каждом компьютере СОМ порт. Для осуществления связи в микроконтроллерный блок стандартного датчика был дополнительно включен интерфейсный блок. Задачей которого является согласование токовых характеристик микроконтроллерного блока (сигналы ТТЛ уровня) с токовыми характеристиками СОМ порта ПК (RS 232).

В качестве источника, эмулировавшего очаг возгорания, использовалась эталонная лампа ТРУ 1100-2350. Для питания данной лампы был разработан специальный блок питания (СБП) с параметрами:
- напряжение на выходе от 2 до 30 В;
- рабочий ток от 0.1 до 30 А;
- напряжение пульсаций не более 0.001 В.

Для контроля тока текущего через эталонную лампу, использовался шунт сопротивлением 1 Ом. Основным видом помех, которые влияют на работу пирометрического пожарного датчика, является засветка от источников излучения в видимом и инфракрасном диапазонах. По характеру изменения интенсивности излучения засветку можно разделить на статическую, не изменяющую свои параметры во времени, и динамическую, параметры которой изменяются во времени (рис.1). Статическая засветка возникает от естественного и искусственного освещения, от высокотемпературных источников и нагретых тел. Динамическая засветка возникает при случайном попадании излучения постороннего объекта в поле зрения пожарного датчика, а также при включении и выключении освещения.

В качестве возможных помех было предложено рассматривать включение лампы накаливания, лампы дневного света (люминесцентная), попадание солнечных лучей (или изменение интенсивности солнечного света). Ввиду того, что влияние помехи может совпадать с появлением очага возгорания, предполагалось рассмотреть появление помехи как при наличии активного сигнала о возгорании на входе пирометрического датчика, так и без него.

Основные составные части лабораторной установки было предложено расположить как показано на рисунке 2.


Пирометрический датчик пожарной сигнализации

Рис.2.

Эталонная лампа (рисунок 2 позиция 1) располагается в зоне контролируемой пирометрическим датчиком (рисунок 2 позиция 3). На одной линии с эталонной лампой и датчиком, между ними, имеется место для установки исследуемой помехи (рисунок 2 позиция 2). Поскольку в устройство стандартного пирометрического датчика были внесены изменения возникла необходимость обновления программы контроллера пирометрического датчика и написание специального программного обеспечения для ПК.

К новой программе контроллера пирометрического датчика были сформулированы следующие требования - программа должна:
- оцифровывать значения напряжений на обоих измерительных каналах датчика;
- сохранять измеренные данные в память, находящуюся в микропроцессорном блоке;
- передавать измерительную информацию на ПК;
- различать и выполнять команды программы находящейся на ПК;
- позволять использовать датчик в различных режимах.

Программа была реализована на языке assembler в среде программирования AVR Studio 3.50, поставляемой фирмой Atmel [3]. Блок схема алгоритма программы приведена на рисунке 3.


Пирометрический датчик пожарной сигнализации

Рис.3.

После аппаратного сброса микроконтроллер инициализирует все устройства входящие в микроконтроллерный блок, и производит их тестирование, включая проверку связи. После проведения тестирования устройство переходит в предустановленный режим работы. В этом режиме происходит ожидание команды на загрузку режима работы устройства. В случае если устройство обнаруживает, что поступила какая либо команда - оно немедленно изменяет режим работы в соответствии с командой.

Программа, разработанная по такой схеме, обеспечивает доступ к установке следующих настроек датчика:
- изменение частоты аналого-цифрового преобразования, от проведения единичного преобразования до постоянного преобразования с заданной частотой;
- остановка работы датчика до прихода команды разрешающей работу;
- выдача экспериментальные данные на компьютер, как по запросу, так и в следящем режиме.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что при использовании пирометрического датчика пожарной сигнализации влияние помех очень мало, и может быть легко устранено с помощью не сложных алгоритмов, если ввести в состав датчика микроконтроллер.

Источник: www.e-digit.ru


Код для размещения на форумах или блоге

«
»