Тепловой пожарный извещатель с частотной фильтрацией

Пожары — один из факторов, дестабилизирующих социально-экономическую обстановку в России, наносящих государству значительные материальные потери. Ежегодно регистрируется более 300 тысяч пожаров, гибнет около 15 тысяч человек, столько же получают травмы и увечья. Выгорает около 2,5 миллионов квадратных метров жилья — жилой фонд целого города, ущерб составляет миллиарды рублей. Россия по-прежнему занимает одно из первых мест в мире по числу погибших и пострадавших на пожарах.

Ситуация с обеспечением пожарной безопасности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области в настоящее время так же вызывает серьезную озабоченность. Прослеживается устойчивая тенденция обострения обстановки с пожарами в целом и последствиями от них. Наблюдается непрерывный рост числа боевых выездов подразделений Государственной противопожарной службы. К настоящему времени их количество (по городу и области) уже превышает 46 ООО в год.

В 1997 году в регионе произошло 15 867 пожаров, прямой ущерб от которых составил почти 60 миллионов деноминированных рублей. Вызывает тревогу увеличение числа погибших при пожарах людей. Если в начале 80-х годов их число составляло не многим более 100 человек в год, то в минувшем году огонь унес жизни 292 горожан и 322 жителей области.

Улучшитьситуацию может активизация научно-технический работы, разработка и применение средств пожарной автоматики, позволяющим обнаружить пожар на ранней стадии развития, когда возможно ликвидировать его, не допустив ощутимого материального ущерба.

Совокупность устройств обнаружения — пожарных увещателей, устанавливаемых на объектах, подсистем передачи информации, обладающих широкой разветвленностью каналов связи, -обеспечивает создание автоматизированной системы централизованной охраны объектов народного хозяйства, рассредоточенных на значительных территориях городов и других населенных пунктов. Пожарные извещатели, применяемые в этих системах, реагируют на незначительные концентрации продуктов горения, избыточную температуру и открытое пламя, что позволяет своевременно обнаружить очаги пожара и быстро их ликвидировать. В основе таких извещателей реализуются различные физические принципы преобразования неэлектрических величин в электрические.

Отечественный и зарубежный опыт эксплуатации автоматических систем пожарной сигнализации показывает, что проблема раннего и сверхраннего обнаружения пожара в настоящее время не может быть успешна решена с помощью только одного или нескольких типов пожарных извещателей. Требуется создание комплекса средств обнаружения загораний по всем информационным факторам и признакам пожара. В связи с этим существует проблема создания пожарных извещателей, реализующих новые принципы функционирования, обеспечивающих измерение и анализ соответствующих параметров среды, сопутствующей пожару [ 1]. Существующие высокочувствительные дымовые пожарные извещатели не могут применяться в жестких условиях эксплуатации (повышенные влажность, пыльность, загазованность, наличие агрессивных сред, масляного тумана и пр.), где используются исключительно тепловые пожарные извещатели (ТПИ). Однако основными недостатками существующих тепловых извещателей является малая чувствительность и большая инерционность срабатывания, ~~что предполагает необходимость разработки ТПИ на основе новых принципов действия с улучшенными параметрами.

В настоящее время представляется перспективной возможность обнаружения очага на ранней стадии его развития по пульсациям температуры под потолком помещения при помощи частотоизбирательных ТПИ, однако, в настоящее время, отсутствует обобщенная теория обнаружения загорания по пульсациям температуры. Поэтому необходима разработка математических моделей колебаний температуры теплового потока над очагом пожара и обнаружения загорания по этим пульсациям.

Разработанные опытные образцы частотоизбирательных извещателей, обнаруживающие очаг пожара по пульсациям температуры показали свою работоспособность и преимущество перед обычными тепловыми извещателями при обнаружении открытых очагов пожара. Следовательно существует необходимость проведения дальнейших исследований в данном направлении, в частности разработка математической модели и оптимизация параметров этих извещателей.

В связи с появлением перспективных тепловых пожарных извещателей (ТПИ) в том числе частотоизбирательных, чувствительным элементом которых являются малоинерционные тепловые пожарные датчики (ТПД) на основе микротерморезисторов, микротермопар и т. п. возникают новые вопросы при их испытаниях. Эти вопросы не могут быть решены традиционными методами, что требует обобщения существующих и разработки новых методик и установок для испытаний ТПИ.

Цель диссертационной работы — разработка теоретических основ, конструкции и принципов испытаний малоинерционных тепловых пожарных извещателей, анализирующих характерные частоты и амплитуды пульсаций температуры над очагом пожара. Основные задачи исследования: разработка математической модели динамических характеристик малоинерционных ТПИразработка математической модели, конструкции и оптимизация параметров малоинерционных ТПИ для обнаружения загорания по пульсациям температуры над очагом пожараразработка принципов и методики испытаний малоинерционных ТПИ, а также создание на их основе лабораторной испытательной установки для испытаний ТПИразработка комплексной системы обнаружения и тушения пожара на основе частотоизбирательных ТПИ.

Научная новизна работы состоит в том, что: впервые проведено теоретическое обоснование методики идентификации малоинерционных ТПИ, разработана математическая модель динамических характеристик термопреобразователей тепловых пожарных извещателейсоздана не имеющая аналогов лабораторная установка для испытаний малоинерционных и частотоизбирательных ТПИразработана методика проведения экспериментов, обработки результатов и определения параметров малоинерционных ТПИ по полученным экспериментальным характеристикамвпервые разработаны математическая модель, конструкция и принципы работы дифференциального термопарного частотоиз-бирательного ТПИ.

Практическая ценность работы заключается в разработке на уровне изобретений: теплового пожарного извещателя с частотной фильтрациейэкспериментального стенда для испытаний тепловых пожарных извещателейустановки охранно-пожарной сигнализации и пожаротушенияавтоматического огнетушителя, а также в создании методики испытаний малоинерционных тепловых пожарных извещателей.

Реализация результатов работы. Стенд для испытаний ТПИ и результаты теоретических исследований использовались в учебном процессе Санкт-Петербургского института повышения квалификации работников МВД России (1997 г.) и Санкт-Петербургской академии МВД России (1998 г.). Создан опытный образец системы пожарной сигнализации и пожаротушения на основе частотоизбирательных ТПИ, прошедший опытную эксплуатацию в ООО «Интертехнолог». Стенд для испытаний использован в НИЦ С-Пб филиала ВНИИПО МВД России при проведении исследований по созданию экспериментального оборудования для испытаний ТПИ.

На защиту выносятся следующие положения: теоретические основы методики идентификации малоинерционных тепловых пожарных извещателейрезультаты математического моделирования термопреобразователя малоинерционных ТПИкомплекс технических средств для испытаний ТПИметодика экспериментального определения характеристик малоинерционных ТПИ и определения по ним основных параметров извещателейрезультаты математического моделирования и конструкция дифференциального термопарного частотоизбирательного ТПИпринципы и результаты создания комплексной системы обнаружения и тушения пожаров на основе частотоизбирательных ТПИ.

Апробация работы. Основные результаты и положения исследования обсуждались на научно-практической конференции «Обеспечение комплексных мероприятий пожарной безопасности предприятий и организаций различных форм собственности» (Санкт-Петербург, 6−8 июня 1994 г.) — российской научно-технической конференции «Опыт и перспективы обеспечения комплексных мероприятий пожарной безопасности на предприятиях» (Санкт-Петербург, 14−15 ноября 1995 г.) — научно-практической конференции «Актуальные проблемы пожарной безопасности и подготовки кадров» (Ташкент, 16−18 ноября 1995 г.) — всероссийской межведомственной научно-практической конференции «Опыт обеспечения современных направлений в охране труда, комплексных мероприятий пожарной безопасности и защите здоровья работников при любых видах и формах трудовой деятельности» (Санкт-Петербург, 17−18 декабря 1996 г.) — научно-практической конференции «Проблемы совершенствования системы подготовки кадров и деятельности пожарной охраны» (Ташкент, 21 мая 1998 г.) — международной научно-практической конференции «МВД России — 200 лет» (Санкт-Петербург, 28−29 мая 1998 г.) — международной научно-практической конференции.

— и.

Новые информационные технологии в практике работы правоохранительных органов" (Санкт-Петербург, 20 ноября 1998 г.) — на заседаниях кафедры пожарной автоматики Московского ИПБ МВД России, а также кафедры автоматики и средств связи в пожарной охране факультета подготовки сотрудников ГПС Санкт-Петербургского университета МВД Россиина второй международной выставке-конгрессе «Высокие технологии, инновации, инвестиции — 97» — на международных выставках «Охрана и безопасность — 96, — 97» .

Публикации.Материалы диссертации опубликованы в 14 работах, защищены 4 патентами на изобретения Российской Федерации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Общий объем работы 166 страниц, в том числе- 13 рисунков- 4 таблицы- 8 страниц библиографического списка использованной литературы и 9 страниц приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

В результате исследований разработано теоретическое обоснование распространения колебаний температуры над очагом пожара, включающей математическую модель теплового потока и передаточную функцию среды над очагом пожара. Показано, что воздушная среда является своеобразным фильтром низких частот, с увеличением высоты над очагом уменьшающим долю высокочастотных колебаний температуры. Полученные результаты согласуются с практическими испытаниями.

Разработаны основные принципы идентификации малоинерционных ТПИ, определены требования к экспериментальному определению характеристик ТПИ.

Создана математическая модель динамических характеристик ТПИ, пригодная для решения задач практической идентификации. На основе этой модели разработана математическая модель малоинерционного частотоизбирательного термопреобразователя ТПИ, определены принципы и проведена оптимизация его параметров.

С использованием компьютерной программы проведено моделирование и получены параметры конкретных термопарных часто-тоизбирательных ТПИ, что показало применимость разработанных математических моделей.

Рассмотрены принципы оптимальной фильтрации помех в тепловых частотоизбирательных извещателях, позволяющей свести к минимуму вероятность ложного срабатывания ТПИ.

Разработан и изготовлен экспериментальный стенд для испытаний тепловых пожарных извещателей. Стенд предназначен для испытаний ТПИ максимального и дифференциального типов, а так же для исследования малоинерционных ТПИ. Конструкция стенда защищена патентом на изобретение.

Использование предлагаемых технических решений позволило расширить функциональные возможности стенда для испытаний ТПИ и повысить точность определения характеристик исследуемых тепловых пожарных извещателей. Проведенные с использованием данного стенда испытания различных типов ТПИ показали его работоспособность, универсальность и преимущества перед аналогичными конструкциями.

На основе принципов идентификации малоинерционных ТПИ разработана схема и методика проведения испытаний, обработки результатов экспериментов, позволяющие определять динамические характеристики ТПИ по получаемым экспериментальным данным.

Определено, что практическую идентификацию малоинерционных частотоизбирательных ТПИ следует проводить при помощи экспериментальных методов получения частотных характеристик.

Определены основные требования к тепловым пожарным из-вещателям для систем обнаружения пожара.

Разработан тепловой пожарный извещатель на новом принципе работы — обнаружении загорания по колебаниям температуры над очагом пожара с использованием термопреобразователя в виде батареи дифференциальных термопар. Конструкция извеща-теля защищена патентом на изобретение.

Разработана на уровне изобретения комплексная установка пожарной сигнализации и пожаротушения на основе термопарных частотоизбирательных ТПИ.

Для использования в составе комплексной установки разработан модуль порошкового пожаротушения МПП с возможностью как дистанционного (в составе установки), так и автономного запуска, отличающийся повышенной надежностью и простотой конструкции. На модуль получен патент на изобретение и разработаны ТУ.