CC BY
63
АВТОМАТИКА
Канд. техн. наук, генеральный директор ОАО “НИИ Тириконд”
Н. И.Горбунов
Канд. техн. наук, доцент, начальник научно-производственного комплекса ОАО “НИИ Тириконд”
Л. К. Дийков
Канд. техн. наук, начальник научно-технического отделения ОАО “НИИ Тириконд”
Ф. К. Медведев
УДК 614.844
ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ И РЕГИСТРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ОЧАГОВ ПОЖАРА И ВЗРЫВА
Изложены новые принципы разработки и организации производства оптоэлектронных приборов, обнаруживающих и регистрирующих очаг горения на фоне разнообразных оптических помех, электромагнитное излучение от очагов пожара и взрыва (в дальнейшем —оптоэлектронные приборы). Приводится перечень таких приборов, разрабатываемых и производимых в ОАО “НИИ “Гириконд”: универсальные многоспектральные извещатели пламени, оптоэлектронные преобразователи, извещатели для комплектации систем взрывоподавления, сигнализаторы наличия факела в газовых, мазутных, водородных горелках и в газоотводящих системах, пожарные извещатели резервуарные для резервуарныххранилищ.
Нет сомнений, что при решении проблемы обеспечения промышленной и экологической безопасности своевременное обнаружение и регистрация очагов пожара являются особенно актуальными. Быстро усложняющаяся техногенная среда с непредсказуемыми всплесками нестабильности плюс человеческий фактор с его пренебрежением к правилам пожарной безопасности способствуют постоянному росту “огненных катастроф”. Для их предотвращения требуется быстрая и адекватная защитная реакция, поэтому в современных системах пожаротушения наиважнейшую роль играют оптоэлектронные приборы, представляющие собой сложные электронно-оптические устройства, разработка и внедрение которых связаны с применением наукоемких технологий и ноу-хау.
Принципы разработки и производства оптоэлектронных приборов
Основные положения этих принципов сводятся к следующим:
• В ходе разработок приоритетное внимание следует уделять функциональному элементу, определяющему основные тактико-технические и эксплуатационные характеристики оптоэлектронных приборов, а именно приемнику излучения, изготов-
ление которого должно являться составной частью общего технологического процесса.
• Адекватность оптоэлектронного прибора разнообразию видов возгорания достигается за счет вариативности фотоэлектрических характеристик приемника излучения.
• Адаптация оптоэлектронных приборов условиям эксплуатации и совместимость их с приемноконтрольными приборами (в том числе адресными) достигается применением специальных конструкций и электронных схем обработки сигналов.
• Средства контроля работоспособности должны быть адекватны реальным очагам пожара.
Эффективность перечисленных выше принципов подтверждена популярностью извещателей пламени серии “Набат”, разработанных ОАО “НИИ “Гириконд” и многократно отмеченных золотыми и серебряными наградами на международных выставках и симпозиумах.
Основной функциональный элемент оптоэлектронных приборов
В течение последних пяти лет в ОАО “НИИ “Ги-риконд” были завершены работы по созданию новых полупроводниковых материалов и технологий, не имеющих мировых аналогов. Это технологии
формирования нанокомпозитов в двухмерной фрактальной структуре с матрицей из полупроводниковых материалов А4В6-А2В6 с примесями, обладающими чувствительностью в спектральном диапазоне 1,0-5,0 мкм, позволивших разработать новые полупроводниковые, многоспектральные, многоэлементные, фотогальванические приемники излучения, непосредственно преобразующие излучение очагов пожара и фоновых оптических помех в фото ЭДС [1-3]. Применение в оптоэлектронных приборах такого приемника излучения в качестве основного функционального элемента позволяет осуществлять обнаружение и идентификацию очагов пожара с использованием принципа спектральной селекции. В этом случае из падающего на фотоприемник интегрального излучения выделяются и регистрируются спектральные полосы излучения “светящихся” продуктов горения, например паров воды, углекислого газа или нагретых до температуры 1000°С частиц сажи [3]. При этом для обнаружения пламени в таком варианте идентификации не требуется наличия колебаний (мерцаний) интенсивности излучения, что является необходимым условием работы и главным принципиальным недостатком всех известных отечественных и зарубежных датчиков пламени, поскольку необходимость работы по “мерцающим” источникам обуславливает высокую вероятность ложных срабатываний извещателей от широко распространенных “мерцающих” оптических помех.
Варьируя составом полупроводникового материала и спектрами пропускания интерференционных фильтров, входящих в конструкцию приемника излучения, можно получать спектральные характеристики чувствительности оптоэлектронных датчиков пламени, адекватные всему многообразию спектров излучения очагов пожара, имеющих различную динамику возгорания и развития и обусловленных горением различных горючих материалов. В дополнение к сказанному нужно отметить, что этот приемник излучения работает при сохранении высокого уровня чувствительности в широком температурном интервале — от -60 до +85°С, не требует для своей работы внешнего напряжения, а значит обладает высокой эксплуатационной надежностью, относится к быстродействующим приемникам с постоянной времени в несколько микросекунд, имеет частотно независимое распределение плотности теплового шума, что хорошо сочетается с импульсным рабочим режимом. Естественно, что все эти достоинства приемника излучения транслируются и на соответствующие характеристики оптоэлектронных приборов.
Адекватность оптоэлектронных приборов разнообразию видов возгорания
На рис. 1 приведены спектральные характеристики фоточувствительных элементов, сформированных указанным выше способом, в таблице — их комбинации в приемнике излучения, каждая из которых обеспечивает возможность регистрации соответствующих типов очагов пожара на фоне наиболее распространенных оптических помех (излучение от солнца, люминесцентных и электрических ламп накаливания, разрядов молнии и электросварки). Сопоставляя сигналы, поступающие от каждого из фоточувствительных элементов, отличающихся специфической спектральной характеристикой, можно с высокой степенью достоверности определить, является ли излучение следствием возникшего очага пожара или оптической помехой.
Ниже приводится перечень наиболее характерных материалов, очаги возгорания которых должны обнаруживаться разработанными оптоэлектронными приборами:
• объекты, горящие с выделением дыма (ТП-1, ТП-4, ТП-5): различные виды древесины, дизельное топливо и бензины, топливо для реактивных двигателей и горюче-смазочные материалы, трансформаторное масло и рабочие масла компрессоров и насосов, пластмассовые изделия;
Длина волны, мкм
Рис. 1. Относительные спектральные характеристики чувствительности (ОСХЧ) фоточувствительных элементов многоспектрального полупроводникового фотоэлемента
№ Тип очага пожара по ГОСТ Р 50808-96 Номер вида относительной спектральной характеристики чувствительности (ОСХЧ) фоточувствительного элемента согласно рис. 1
1 2 3 4 5 6
1 ТП-1, ТП-4, ТП-5, взрыв + +
2 ТП-2, ТП-3, “горячая” угольная пыль +
3 ТП-6 + +
4 Горение веществ, не содержащих углеводородов, взрыв + + +
5 Оптические помехи в виде излучения солнца, люминесцентных ламп, электросварки +
6 Оптические помехи в виде излучения от нагретых тел и ламп накаливания + +
• сжатые и сжиженные газы, легковоспламеняющиеся жидкости, горящие без выделения дыма (ТП-6): метан, этан, пропан, бутан, спирты — метанолы, этанолы, пропанолы, ацетон;
• группы веществ, способные к несанкционированному разогреву и тепловыделению (ТП-2, ТП-3): тлеющие древесина, хлопок, мука, зерно, торф, уголь и угольная пыль;
• легковоспламеняющиеся вещества, не содержащие углерода: водород, аммиак, гидразины, азид натрия и другие, у которых спектры поглощения лежат в диапазоне 1,5—5,0 мкм;
• характерные взрывные процессы метановоздушноугольной пыли, летучих углеводородных смесей, при нарушении техники безопасности в производстве взрывчатых веществ.
Таким образом, можно считать решенной проблему с адекватностью оптоэлектронных приборов возможному многообразию очагов возгорания.
Адаптация к приемно-контрольным приборам
Для полной адекватности оптоэлектронного прибора требуемым условиям пожаробезопасности адаптация должна осуществляться не только по “оптическому входу”, но и по “электрическому выходу”. Решение указанной проблемы особенно актуально для адресно-аналоговых типов извещате-лей, когда необходимо учитывать особенности построения адресной системы вкупе с особенностями адресной системы приемно-контрольного прибора и соответствующей им инфраструктуры. Для этого требуется разработка такого адресно-аналогового противопожарного оптоэлектронного прибора, который обладает всеми перечисленными выше качествами извещателя пламени, полностью отвечает всем требованиям НПБ 76-98 “Извещатели пожарные. Общие технические требования” и может быть адаптирован к любой адресно-аналоговой аппаратуре потребителя. В таком устройстве имеется воз-
можность доукомплектования его адресной платой, самостоятельная установка потребителем которой предусмотрена конструкцией прибора с соответствующими электрическими разъемами. Это решает главную проблему, которая возникает всегда, когда необходимо совместить адресный пожарный изве-щатель с адресным приемно-контрольным прибором с присущей только ему системой адресации и кодирования. Такой оптоэлектронный прибор может включать в себя дополнительные блоки, позволяющие обеспечить принципиально новое качество датчика, например совмещение его с системой видеонаблюдения или с радиоканалом.
Адекватность средств контроля реальным очагам пожара
Разработка адекватных средств контроля работоспособности оптоэлектронных приборов велась в части как внутренней автоматической проверки фотоприемника, электронных трактов и чистоты входного окна, так и внешнего контроля. В последнем случае тестирующее устройство выполнялось в виде тестового инфракрасного фонаря.
Внутренний самоконтроль исправности приемника излучения и электронного тракта осуществляется включением в конструкцию приемника излучения инфракрасного излучателя, позволяющего направлять контрольное излучение, минуя систему интерференционных фильтров, и таким образом, что интегральным излучением в равной степени засвечиваются и проверяются все фоточувствитель-ные элементы и соответствующие им электронные тракты. При контроле загрязнения входного окна должна соблюдаться адекватность спектров излучения контрольного излучателя и спектрального распределения чувствительности фоточувствитель-ных элементов. В качестве такого излучателя можно использовать фотолюминесцентный излучатель с набором соответствующих интерференционных фильтров. Как при внутреннем контроле работо-
способности, так и при проверке загрязнения входного окна используется принцип построения октро-на, аналогичный описанному патентом [1].
Для проверки работоспособности внешними средствами применяется специальное осветительное устройство — тестовый фонарь, который может входить в комплект поставки датчика. Его отличительная особенность состоит в том, что спектральное распределение излучения тестового фонаря имитирует ИК спектры излучения различных типов очагов возгорания при одновременном освещении и наведении луча на контролируемый преобразователь. Причем спектры излучения в точности соответствуют спектрам излучения того типа очага пожара, для которого предназначен данный извеща-тель пламени, а наведение на объект осуществляется по “видимому” лучу. Вес устройства не превышает 350 г, потребляемая мощность — 1,7 Вт. В качестве оптических элементов, формирующих спектры излучения устройства, используются сменные интерференционные фильтры, изготовление которых является частью технологического процесса производства устройства в целом.
Адаптация к различным условиям эксплуатации
И, наконец, еще один тип адаптации, который необходимо обеспечить для оптоэлектронных приборов — это адаптация к различным условиям эксплуатации. Данная проблема решается использованием соответствующих конструктивных решений.
Ниже приводятся данные по основным типам оптоэлектронных приборов, их конструктивные особенности и области применения.
Универсальные многоспектральные извещатели
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/1 — “НАБАТ 1" (обыкновенное исполнение)
Пластмассовый корпус. Степень защиты оболочкой 1Р41, 1Р65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур — от -60 до +55°С. Габаритные размеры — не более 90x90x105 мм. Масса — не более 260 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.
Предназначен для защиты:
• общественных зданий, музеев, театров, церквей, складов, ангаров, спортивных сооружений, производственных и подсобных помещений промышленных предприятий, машинных залов с мощными энергетическими установками и
оборудованием, других помещений с высотой потолка, превышающей 7 м;
• объектов, расположенных на открытых уличных площадках;
• объектов, для защиты которых по каким-либо причинам невозможно применение дымовых и тепловых извещателей, например помещений с повышенной запыленностью и производственной задымленностью;
• для обнаружения тлеющих очагов пожара;
• для обнаружения опасного перегрева фрагментов электрического оборудования, расположенного под защитными кожухами, или нарушений целостности тепловой защиты высокотемпературных печей.
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/1 — “НАБАТ 1" (взрывозащищенное исполнение) с блоком искрозащиты на стабилитронах (БИС)
Корпус пластмассовый, металлизированный. Степень защиты оболочкой 1Р65 (с защитным кварцевым диском), 1Р67 (с защитным кварцевым диском и заполнением внутреннего пространства электронного блока резиноподобным компаундом). Маркировка взрывозащиты: датчика — Ех1ЪПСТ6, БИС — [Ех1Ъ]ПС. Диапазон рабочих температур — от -60 до +55°С. Габаритные размеры — не более 90x90x110 мм. Масса — не более 360 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика.
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/1М — “НАБАТ 1М" (взрывозащищенное исполнение) с БИС
Корпус алюминиевый (латунный), повышенная устойчивость к механическим нагрузкам. Степень защиты оболочкой 1Р65 и 1Р67. Маркировка искрозащиты: датчика — Ех1ЪПСТ6, БИС — [Ех1Ъ]ПС. Диапазон рабочих температур — от -60 до +55°С. Габаритные размеры — не более 90x90x110 мм. Масса — не более 350 г. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика. Предназначен для защиты:
• нефтеперерабатывающих предприятий, нефтяных скважин, шельфовых нефтедобывающих платформ, нефтепроводов и установок для раз-жижжения нефти при ее транспортировке по нефтепроводам, нефтехранилища;
• газопроводов, газохранилищ, газораспределительных и газокомпрессорных станций;
• морских терминалов для загрузки танкеров;
• взрывоопасных химических производств и производств взрывчатых веществ;
• шахт и предприятий угольной промышленности;
• открытых площадок для хранения пожаро- и взрывоопасных веществ, складов горюче-смазочных материалов, гаражей и автозаправочных станций;
• резервуарных парков сжиженных газов.
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/2 “СК” — “НАБАТ 2”
Корпус пластмассовый. Степень защиты оболочкой 1Р41,1Р65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур — от -60 до +55°С. Габаритные размеры — не более 90x90x105 мм. Масса — не более 260 г. Сигнал срабатывания формируется контактным способом с помощью реле (сухой контакт).
Предназначен для защиты:
• индивидуальных гаражей, загородных коттеджей, дачных строений, отдельных изолированных помещений, где целесообразно применение извещателей для индивидуальной защиты единичных объектов с использованием четырехпроводного шлейфа, независимых источников питания и средств оповещения;
• газовых отопительных и нагревательных установок от последствий самопроизвольного погасания газового факела (газовые горелки в котельных и доменных печах, в газовых турбинах и металлургии, газовые факелы при сгорании попутных газов).
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/3 — “НАБАТ 3”
Корпус пластмассовый. Степень защиты оболочкой 1Р41, 1Р65 (с защитным кварцевым диском). Диапазон рабочих температур — от -60 до +55°С. Габаритные размеры — не более 0100x41 мм. Масса — не более 250 г. Контактный разъем для установки в розетку типа РИД-6М. Сигнал срабатывания формируется бесконтактным способом за счет изменения внутреннего сопротивления датчика. Предназначен для защиты:
• транспортных средства, включая железнодорожные вагоны, вагоны пригородных электропоездов и метро;
• промышленных и гражданских объектов в качестве извещателя, работающего в единой инфраструктуре с извещателями дыма и тепловыми извещателями для повышения вероятности своевременного обнаружения возникающих очагов пожара в защищаемом помещении.
Извещатель пламени многодиапазонный ИП332-1/4 — “НАБАТ 4” аналоговый
Предназначен для использования в усложненных эксплуатационных условиях: при повышен-
ных рабочих температурах и механических нагрузках. Корпус металлический, алюминиевый (латунный). Степень защиты оболочкой 1Р67. Взрывозащищенное исполнение с маркировкой ЕхМ1СТ6 с видом взрывозащиты “искробезопасная цепь”. Маркировка взрывозащиты БИС — [Ех1Ъ]ПС. Имеет систему внутреннего и внешнего контроля работоспособности с самотестированием. У извещателя аналоговый выход с унифицированным выходным сигналом тока 0-20 мА. Первый уровень — 2 мА — сигнализирует о неисправностях, которыми могут быть загрязнение окна, отказ приемника излучения или предварительных усилителей. Второй уровень
— 4 мА — соответствует дежурному режиму, третий — 8 мА — предпожарной опасности, четвертый — 20 мА — сигналу тревоги. Каждый из этих уровней визуализируется соответствующим режимом свечения красного и зеленого светодиодов. По заявке заказчика в дополнение к требованиям НПБ 76-98 могут быть реализованы следующие параметры и характеристики:
• устойчивость к солнечной засветке с освещенностью до 100000 лк;
• отсутствие ложных срабатываний при засветке от лам накаливания до 5000 лк;
• устойчивость к ИК излучению от объектов, нагретых до 400°С;
• устойчивость к синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-500 Гц с ускорением 10^, к механическому удару одиночного воздействия с пиковым ударным ускорением 500^, механическим ударам многократного действия с пиковым ударным ускорением 150^;
• быстродействие — 100 мс;
• сферический угол обзора — не менее 90°, с оптической приставкой — не более 5°.
Оптоэлектронные многоспектральные преобразователи
Преобразователь инфракрасный пожарный многодиапазонный ИПП332-1/1
Основные требования к такому преобразователю сводятся к следующим:
1. Должен выдавать периодическую информацию на приемно-контрольный прибор о результатах внутреннего самотестирования на предмет исправности электронных трактов и чистоты входного окна, сигналы об предпожарной тревоге и о пожаре. Причем предпожарным признаком может быть любой из выбранных потребителем, например несанкционированное повышение температуры контролируемого объекта.
2. Должен удовлетворять требованиям по взры-вобезопасности (в том числе и для особовзрыво-
опасных зон класса 0), иметь расширенный рабочий интервал температур — от -60 до +85°С.
3. Конструкция преобразователя должна обеспечивать размещение адресной платы потребителя.
4. По основным функциональным и эксплуатационным характеристикам преобразователь должен соответствовать НПБ 76-98 и техническим условиям АДПК.425241.001 ТУ [2].
Первый вариант такого преобразователя был разработан, изготовлен, испытан и прошел промышленное освоение в ОАО “НИИ “Гириконд”. Это инфракрасный оптоэлектронный преобразователь ИПП332-1/1. Он имеет аналоговый выход с унифицированным выходным сигналом тока 0-20 мА. Испытываются варианты встраивания в инфраструктуру адресных приемно-контрольных приборов, например “Ладоги-А” и “Триумфа”. Указанный преобразователь может взаимодействовать с централизованной системой пожарообнаружения и управления пожаротушением.
Извещатели для комплектации систем взрывоподавления
Извещатель пожарный инфракрасный многодиапазонный ИП330-5
В настоящее время можно говорить о практическом отсутствии быстродействующих устройств для раннего обнаружения беспламенного возгорания органических веществ различного происхождения и назначения. Первое место в списке таких веществ занимает, конечно, каменный уголь и его производные. Связано это с тем, что в последнее время в мировой энергетике наблюдается тенденция заметного роста потребления в качестве энергоносителей дешевых видов твердого ископаемого топлива, и в первую очередь, бурых углей. Однако практически любое звено в технологической цепочке от добычи бурого угля на разрезе до сжигания его в топке тепловой электростанции в той или иной мере подвергается опасности возгорания или взрыва. Известно также, что большинство мероприятий по их предупреждению не приносит должного положительного эффекта, поскольку практически невозможно контролировать образование просыпей угля и очагов самовозгорания, возникновение взрывоопасных концентраций угольной пыли, инициирующих тепловые взрывы. Оказалось, что в настоящее время единственным перспективным направлением по обеспечению пожа-ровзрывобезопасности энергетических предприятий является внедрение автоматических систем противопожарной защиты и взрывоподавления на ранних стадиях их возникновения. При этом определяющая роль в таких системах остается за первичными извещателями пожара и взрыва. Основ-
ные требования к их техническим и эксплуатационным характеристикам вытекают из особенностей контролируемых процессов. Известно, что:
• время перехода тления в горение и далее в дефлаг-рационное горение (тепловой взрыв) составляет доли секунд, а скорость распространения фронта пламени лежит в пределах от 8 до 1500 м/с;
• температура тления угольной пыли в зависимости от избытка кислорода находится в пределах от 350 до 550°С;
• угольная пыль излучает как серое тело со степенью черноты 0,70-0,85 и не имеет спектрально выраженных полос излучения (например, на 4,3 мкм);
• излучение от угольной пыли в 3-5 раз превышает фоновое тепловое излучение от конструкционных материалов и оборудования, которое может иметь “мерцающий” характер;
• первичные стадии пожара вплоть до возникновения теплового взрыва не сопровождаются появлением пламени (беспламенное горение);
• эксплуатация извещателя должна осуществляться в условиях повышенной вибрации и в широком рабочем температурном диапазоне.
В связи с вышеперечисленным извещатели должны обладать следующими характеристиками:
• чувствительность в спектральном диапазоне 1,0-4,2 мкм;
• быстродействие не хуже 1 мс;
• реагирование на беспламенное горение;
• отсутствие реагирования на излучение нагретых тел с температурой ниже 100°С;
• отсутствие вибрационных шумов;
• повышенная теплоустойчивость;
• коррозионная устойчивость и устойчивость к воздействию агрессивной среды (802);
• нечувствительность к воздушным пылевым потокам.
Ни один из известных авторам статьи отечественных и зарубежных извещателей не обладает совокупностью указанных выше характеристик. В то же время применение в качестве основного функционального элемента извещателя многоспектрального ИК фотоэлемента, генерирующего фото ЭДС в спектральных поддиапазонах 2,6-3,5, 3,5-4,2 и 1,0—1,2 мкм, позволило обеспечить выполнение всех перечисленных требований, а также расширить список контролируемых объектов, включив в него не только уголь и его производные, но и перегрев любых органических материалов, например розлив горячего мазута, битума, тление торфа, древесины, зерна, муки, хлопка, древесных опилок. Этим требованиям отвечает многоспектральный извещатель пламени ИП330-5 (АДПК.425241.003 ТУ [2]).
52
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 TflM 17
Технические характеристики ИП330-5
• максимальное расстояние, на котором регистрируется тлеющий уголь или горячий мазут очагом 0,1 м, — не менее 20 м;
• максимальное расстояние, на котором регистрируется тлеющая древесина площадью 1 м2, — не менее 50 м;
• максимальное расстояние регистрации очага пожара типа ТП-5 — не менее 17 м;
• максимальное расстояние регистрации очага пожара типа ТП-6 — не менее 12 м;
• время срабатывания извещателя с момента формирования очага от тлеющего угля или розлива горячего мазута, битума с очагом размером
0,1 м2 — не более 100 мс;
• извещатель не дает ложных срабатываний при воздействии засветкой от ламп накаливания с освещенностью 500 лк, люминесцентных источников света, от солнечной засветки с освещенностью до 30000 лк, световых вспышек от дуги электросварки или молний;
• степень защиты оболочкой 1Р67;
• взрывозащищенное исполнение с маркировкой взрывозащиты “искробезопасная цепь” Ех1аПСТ6 (по ГОСТ Р.51330.0), комплектуется БИС;
• прорабатывается вариант взрывозащиты, учитывающий специфику угольных и рудных шахт;
• диапазон рабочих температур — от -40 до +70°С;
• устойчив к ИК излучению от нагретых объектов с температурой до 100°С;
• имеется вариант с латунным корпусом массой не более 400 г;
• габаритные размеры — не более 90x90x48 см;
• имеет систему внутреннего и внешнего контроля работоспособности с самотестированием;
• выходные уровни токовых сигналов и их визуализация аналогичны выполненным в извещате-ле ИП332-1/4;
• устойчив к синусоидальной вибрации в диапазоне частот 1-500 Гц с ускорением 10^, к механическому удару одиночного воздействия с пиковым ударным ускорением 500^, механическим ударам многократного действия с пиковым ударным ускорением 150^;
• сферический угол обзора — не менее 60°;
• рабочее напряжение — 24-27 В.
Ориентирован на применение во взрывоопасных зонах наружных установок и помещений классов В-1а, В-1г, В-1б, В-11а, в которых возможно образование взрывоопасных смесей категорий 11А, 11В, 11С и групп Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6, в соответствии с требованиями гл. 7.3 ПУЭ.
Предусматриваются условия, при которых выходные электрические характеристики обеспечивают срабатывание клапана запорно-пускового
КД100.1,6 для автоматических систем водяного и пенного пожаротушения (сертификат ССПБ Яи.УП001.ВО4604) с временем открытия 200 мс.
Сигнализаторы наличия факела
Сигнализаторы многодиапазонные СИПО-1 и СИПО-2
Этот тип оптоэлектронных приборов решает задачи, обратные тем, которые обсуждались в предыдущем разделе. Если извещатель пламени при появлении последнего должен способствовать мобилизации адекватных средств тушения, то для сигнализатора наличия факела — это штатный режим. В рассматриваемом случае пламя является энергетическим источником в тепловых нагревательных установках, а его наличие есть свидетельство их безопасной работы. Тогда несанкционированное погасание пламени, например факела пламени газовой горелки при продолжающемся поступлении газа, может привести к разрушительным взрывам и пожарам.
Существует немало различных устройств, фиксирующих момент самопроизвольного погасания газовой горелки вследствие временного несанкционированного прекращения подачи газа. Однако далеко не все они обеспечивают абсолютную надежность работы тепловых энергетических установок. Точно также существуют системы контроля полноты сгорания газа, но они не могут обеспечить реализацию максимального КПД его использования, поскольку, контролируя концентрацию несгоревшего углеводородного топлива, не контролируют расход неиспользованного и понапрасну нагретого кислорода воздуха. Все эти проблемы можно разрешить, если при конструировании оптоэлектронных приборов такого назначения использовать многоспектральный фотогальванический приемник и метод спектральной селекции [4].
Факел газового пламени при штатных режимах горения представляет собой частично прозрачную, бесцветную среду (“бесцветное” пламя), характеристики излучения которой имеют ярко выраженный селективный характер. У “бесцветного” пламени полное излучение в спектральных диапазонах 1,5-2,5 и 3,2-4,2 мкм чрезвычайно мало, но имеются две полосы сильного селективного излучения, соответствующие свечению продуктов горения — паров воды и углекислого газа. Ширина первой полосы составляет ~400 нм с максимумом у 2,8 мкм, второй — 350 нм при максимуме 4,4 мкм (рис. 2). И если для “бесцветного” пламени полный коэффициент излучения не превосходит 0,2, то спектральный коэффициент излучения в отмеченных выше селективных полосах поглощения может оказаться для большого объема факела пламени близ-
1,00
З
и
5
Я 0,75 си
я 0,50 л
Е-
о
0 1 2 3 4 5
Длина волны, мкм
Рис. 2. Спектральные характеристики чувствительности фотоэлектрических элементов многоспектрального приемника излучения: 1, 2 — элемент регистрации излучения горячей стенки; 3 —элемент регистрации излучения пламени (Н20); 4 — элемент регистрации излучения пламени (С02)
ким к единице. Именно это излучение и должно стать главным идентифицирующим признаком наличия пламени. Также нужно иметь в виду, что излучение от факела осуществляется на фоне излучения от горячих стенок энергетических установок, типичная температура которых находится в интервале 1200-1400°С, т.е. приближается к температуре пламени. Спектральное распределение плотности излучения стенки соответствует серому телу, совпадает со спектральным распределением абсолютно черного тела и имеет полный коэффициент излучения в пределах 0,8-0,9. Поэтому контроль за излучением нагретой стенки осуществляется контролем излучения в области, где имеется сильное излучение от горячей стенки и слабое — от горящего факела, например при 1,6 и 3,5 мкм. Регистрация и оценка соотношений интенсивностей излучения в четырех обозначенных выше спектральных диапазонах осуществляются с помощью четырехцветного фотогальванического приемника. По фиксируемым данным делается заключение о наличии или отсутствии факела. Анализ указанных соотношений позволяет также судить и об эффективности выбранного режима горения. Эти сведения послужили техническим основанием для разработки нового оптоэлектронного прибора для электронномеханических систем контроля режимов горения газа — сигнализаторов наличия пламени оптоэлектронного СНП0-1 и СНП0-2, первый из которых фиксирует наличие факела горелок, второй позволяет осуществлять контроль наличия факела при горении отводных газов. При этом расстояние от сигнализатора до верхней кромки отводной трубы составляет не менее 100 м.
Эффективность предложенных технических решений была подтверждена на практике в ходе испытания экспериментальных и опытных образцов
оптоэлектронных приборов рассматриваемого типа в составе автоматики, обеспечивающей безопасность эксплуатации газового модульного котла ГМК-700 на предприятии ТНП ГКНПЦ им. М. В. Хруничева, г. Москва, в блочных газовых горелках для отопительных и водогрейных паровых котлов низкого и среднего давлений теплопроизводительностью до 1,5 МВт производства ОАО “Старорусприбор”, г. Старая Русса, и СТК “Теплоком”, а также на тепловых энергетических установках различного назначения на предприятиях ОАО “Северсталь”, г. Череповец.
Резервуарные пожарные извещатели
Извещатели пожарные многодиапазонные резервуарные ИП330-7/1 и ИП330-7/2
Эта разновидность оптоэлектронных приборов должна обеспечивать пожаровзрывобезопасность резервуаров для хранения нефти и нефтепродуктов, спиртов и других горючих жидкостей, а также горючих газов и порошков. Место расположения из-вещателя — пространство между крышкой резервуара и поверхностью хранящегося вещества. В случае с нефтью и нефтепродуктами — это взрывоопасная зона с постоянным присутствием взрывоопасной газовой смеси, а потому она отнесена к зоне класса 0. Это в свою очередь означает, что для таких объектов возможно использование только особовзрывобезопасного оборудования, а следовательно, пожарных извещателей с взрывозащитой “искробезопасная электрическая цепь” и маркировкой взрывозащиты Бх1а. Из всего многообразия имеющихся в настоящее время пожарных извещателей этому требованию удовлетворяет только один
— тепловой извещатель ИП101 “Гранат”. Однако он имеет быстродействие, исчисляемое минутами, и поэтому не может быть использован в системах взрывоподавления. В то же время известно, что пожар в резервуаре в большинстве случаев начинается именно со взрыва паровоздушной смеси в верхней части резервуара с последующим возгоранием поверхности горючей жидкости [5]. Сказанное выше послужило основанием для разработки оптоэлектронных резервуарных извещателей (ИП330-7/1 и ИП330-7/2, АДПК.425241.019 ТУ [2]), которые ориентированы на вновь создаваемые системы промышленной и пожарной безопасности, действующие на основе современных автоматизированных комплексов. Эти извещатели предназначены для использования на особо взрывоопасных объектах, имеют маркировку взрывозащиты Бх1а, обнаруживают не только возникающие очаги пламени, но и первичные фазы взрывного процесса. Как уже отмечалось ранее, создание такого вида оптоэлект-
54
ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2008 ТОМ 17
ронного прибора также стало возможным только потому, что в качестве чувствительного элемента и в этом приборе был использован быстродействующий многоспектральный фотогальванический приемник излучения с постоянной времени 20 мс. В частности, обеспечение символа “а” стало возможным потому, что для этого фотоприемника не требуется напряжение смещения (в ждущем режиме он “обесточен”), а фото ЭДС генерируется только при появлении излучения от пламени или взрыва. Сказанное позволяет при любых его механических повреждениях сохранять искробезопасность цепи. В рассматриваемом варианте оптоэлектронного прибора также реализован аналоговый токовый выход 0-20 мА, в одном из токовых уровней которого может быть выведен сигнал предварительной тревоги, соответствующий несанкционированному нагреву контролируемой поверхности или отдельных ее областей. При этом время такой реакции — не более 1 мс. Извещатель разработан в двух конструктивных вариантах: с совмещенными блоком обработки сигнала и фотоприемником (ИП330-7/1) и с разделенными блоком обработки сигнала и выносным фотоприемником (ИП330-7/2). Рабочий температурный диапазон — от -40 до +70°С.
Для оптимального выбора типа оптоэлектронного прибора разработчикам проектов противопожарных систем предлагается следующая последовательность действий.
1. Прогнозирование заказчиком наиболее вероятных типов очага пожара, оптических помех или взрыва.
2. Выявление особенностей размещения защищаемых объектов на контролируемой площади.
3. Ознакомление с эксплуатационными документами на извещатели и установление возможности использования перечисленных в них вариантов исполнения.
4. Выявление возможных дополнительных требований к датчику, учитывающих специфику защищаемого объекта и не отраженных в основном тексте эксплуатационных документов.
5. После выполнения перечисленных выше пунктов выдается заявка на изготовление извещателей, при необходимости с перечислением дополнительных требований.
6. Изготовитель датчика выбирает оптимальную комбинацию фоточувствительных элементов в приемнике излучения и обеспечивает адекватность характеристик датчика возможным пожарным угрозам.
Такая схема гарантирует наиболее качественное выполнение проектов по обеспечению пожаровз-рывобезопасности конкретных охраняемых объектов.
Все перечисленные выше датчики соответствуют требованиям НПБ 76-98, Международного европейского стандарта БК 54-10:2005 и имеют патентную защиту [6, 7]. Годовой объем производства датчиков серии “Набат” превышает 10000 штук.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пат. РФ № 37571. Фотолюминесцентный излучатель, фотоэлемент и октрон на их основе /
Н. И. Горбунов, Л. К. Дийков и др.
2. АДПК.423231.001 ТУ. Фотоэлементы.Техническиеусловия.
3. Медведев, Ф. К. Электронно-оптические извещатели пламени. ИК-приемники нового поколения / Ф. К. Медведев, С. П. Варфоломеев [и др.] // Электроника НТБ. — 2000. — № 6.
4. Дийков, Л. К. Оптоэлектронные датчики для контроля работы газовых горелок / Л. К. Дийков, Ф. К. Медведев [и др.] // Мир и безопасность. — 2006. — №1.
5. Рукин, М. В. Безопасность резервуарных парков нефтебаз / М. В. Рукин, Г. Г. Калашник //
ОПС. — 2007.
6. Пат. РФ № 2296370. Инфракрасный многодиапазонный детектор пламени и взрыва /
Н. И. Горбунов, Л. К. Дийков, Ф. К. Медведев [и др.].
7. Infrared multi-positional fire and explosion detector. Publication Number W0/2006/137757. International Fpplication № PCTRU2006/000283. Publication Data 28.12.2006. Internacional Filing Data 29.05.2006.
Поступила в редакцию 24.12.07.
