Статьи рынка безопасности

События

Чувствительность пожарных извещателей к различным типам дыма, пыли, пару и аэрозолям. Часть 2

  • 25.07.2012
  • 6999

А. Зайцев
независимый эксперт

Статья опубликована в журнале "Алгоритм безопасности" №4, 2012


В первой части данного материала, размещенном в предыдущем номере журнала, были рассмотрены основные теоретические моменты процесса обнаружения признаков пожара в оптико-электронных дымовых извещателях. Одновременно с этим рассматривался вопрос о возможности и необходимости селекции частиц дыма от попадающих в измерительную зону оптической системы точечных дымовых пожарных извещателей частиц пыли, пара и аэрозолей.

Данная часть материала посвящена рассмотрению существующего состояния с обнаружением частиц дыма с помощью точечных дымовых пожарных извещателей. Но начать эту часть все-таки было бы интересно с накопленного опыта в сходной области: это промышленное измерение концентраций и размеров частиц коллоидных растворов. Сюда относятся и измерители запыленности атмосферного воздуха, и измерители выбросов в металлургической промышленности, и измерители, применяемые в химической промышленности и т.п.


ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ КОНЦЕНТРАЦИИ

Одним из наиболее применимых для измерения концентрации и размеров частиц в промышленных средствах измерения является фотометрический метод. Этот метод подразделяется на абсорбционный, основанный на ослаблении интенсивности светового потока (он применяется в линейных дымовых пожарных извещетелях), и нефелометрический, основанный на регистрации рассеянного отраженного светового потока (применяется в точечных дымовых пожарных из- вещателях).

Главным недостатком фотометрического абсорбционного метода для промышленных измерений является его низкая чувствительность при измерении малых концентраций аэрозольных частиц (менее 30 мг/м3), а также невозможность контроля высоких концентраций (более 1012 г/м3) вследствие практически полного поглощения светового излучения.

В случае измерения малых концентраций аэрозольных частиц гораздо более эффективным считается нефелометрический метод, основанный на регистрации прямого, бокового и обратного рассеяния света [1]. Кстати, именно он и применяется в точечных дымовых пожарных извещателях, что для нас и является интересным.

Для контроля промышленных процессов на сегодняшний день наиболее широко используется метод бокового рассеяния, когда излучатель и приемник расположены примерно под углом, равным 90°.

На методе бокового рассеяния света работают практически все известные приборы контроля счетной концентрации аэрозольных частиц.

Серьезным недостатком нефелометрического метода прямого рассеяния при контроле весовой концентрации промышленных пылевых аэрозолей с широким дисперсным составом является резкая потеря чувствительности при измерении концентрации частиц диаметром более 810 мкм, что существенно снижает и даже исключает возможность их применения во многих отраслях. Это связано с тем, что при таком соотношении длины волны светоизлучателя и размеров измеряемых частиц уже действуют законы распространения электромагнитных волн, основанные на теории зон Френеля, а не теории Ми. Поэтому приборы, использующие нефелометрический метод, применяются в основном там, где выбрасываются мелкодисперсные аэрозольные частицы.

Интересные решения для измерения концентрации частиц применила в своих приборах немецкая фирма FRITSCH [2]. Она предлагает для проведения измерений концентраций частиц с размерами 0,08-2000 мкм прибор ANALY SETTE 22 MicroTec plus. В этом приборе один полупроводниковый лазер с излучением зеленого цвета отвечает за измерение маленьких частиц, в то время как инфракрасный полупроводниковый лазер закрывает диапазон более крупных частиц.

Эта же фирма позиционирует свою технологию FRITSCH-ZOOM, реализованную в приборе ANALY SETTE 22 NanoTec класса High-End, с диапазоном измерения частиц размером 0,01-2000 мкм. Для повышения точности и чувствительности прибора для частиц с размером 0,010,1 мкм дополнительно используется обратное рассеяние, для чего фирма FRITSCH одной из первой в данной области ввела использование второго лазерного пучка красного цвета. Этот луч через микроотверстие в центре детектора облучает помещенную непосредственно перед ним пробу и измеряет уровень обратного рассеяния.

Таким образом, можно констатировать, что для промышленного измерения малых концентраций частиц с малыми размерами применяются способы селекции и измерения, основанные как на использовании разных длин волн светоизлучателей, так и на выборе различных точек наблюдения. Т.е. все необходимые предпосылки для внедрения этих способов анализа в точечных дымовых пожарных извещателях имеются, а сами способы достаточно подробно изучены и апробированы.


ОСОБЕННОСТИ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЧАСТИЦ ДЫМА В ТОЧЕЧНЫХ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕШАТЕЛЯХ

В пожарных извещателях для их защиты от частиц, не являющихся продуктами горения, нужно помимо оценки концентрации частиц дыма провести селекцию частиц дыма от частиц пыли, аэрозолей и различных паров.

Частицы пыли, паров и аэрозолей имеют геометрические размеры от 1 до 10 мкм и как было показано ранее, даже при малой концентрации создают достаточно большую интенсивность рассеяния, что приводит к повышенной вероятности ложных срабатываний. Именно по этой причине подавляющее большинство существующих оптико-электронных извещателей невозможно использовать в квартирах на кухнях, когда при жарке на сковороде образуется сильный восходящий поток паров воды и масла, имеющий размеры, превосходящие частицы дыма. Они даже при минимальной концентрации вызывают немедленное срабатывание установленных в этих помещениях извещателей.

Такая же ситуация со строительной и прочей пылью. Не имея возможности за счет тепловых потоков, возникающих только при горении, достигнуть зоны измерения в оптической системе извещателя, они могут туда случайно попадать за счет небольших завихрений воздушных потоков. При этом, так же как и в случае с парами, достаточно их минимального количества, чтобы уровень интенсивности рассеяния превысил порог срабатывания.

Практически все точечные оптико- электронные извещатели имеют оптическую систему со смещением приемника оптического сигнала или в горизонтальной плоскости (рис. 1) или в вертикальной (рис. 2) . Возможно смещение приемника и одновременно в обеих плоскостях. На принцип работы и обнаружительную способность оптопары это никоим образом не влияет. В большей степени это имеет значение для аэродинамического сопротивления воздушному потоку, заходящему в оптическую систему, что в определенной степени также влияет на чувствительность извещателя. В частности, при горизонтальном смещении элементов оптопары в местах размещения светоизлуча- теля и фотоприемника появляются зоны с повышенным аэродинамическим сопротивлением.

Рис. 1. (слева) Смещение приемника оптической системы в горизонтальной плоскости
Рис. 2. (справа) Смещение приемника оптической системы в вертикальной плоскости
Смещение приемника оптической системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях

Для защиты от прямого попадания излучения от светоизлучателя на фотоприемник используются всякого рода шторки. Вот они-то и влияют на это аэродинамическое сопротивление оптической системы.

Для повышения чувствительности при испытаниях в установке «Дымовой канал», где очень часто вместо тлеющего хлопкового шнура используется аэрозоль с размером частиц 0,5-1,0 мкм, часть отечественных производителей смещают приемник оптического сигнала в зону прямого рассеяния вплотную к зоне прямого луча. По сравнению с оценкой уровня интенсивности рассеяния в зоне бокового рассеяния это дает повышение чувствительности по данному тесту в 10-15 раз. Но одновременно с этим в несколько десятков раз повышается чувствительность к пыли, аэрозолям и парам и падает чувствительность к дымам с малыми размерами частиц. Т.е. извещатель настраивается на выполнение одной конкретной задачи -измерение чувствительности в установке «Дымовой канал». Именно этим можно объяснить явление, когда извещатель показывает неплохие результаты в установке «Дымовой канал» и отрицательные результаты при огневых испытаниях (тестовых пожарах). Здесь, правда, необходимо еще учесть влияние при огневых испытаниях аэродинамических характеристик извещателя, которые тоже могут быть не на должном уровне.

Одной из первых попыток выйти по равномерности чувствительности к различным типам дыма на уровень ионизационного извещателя была разработка японской фирмы Hochiki Corporation.

По материалам прессы, где-то ориентировочно в 2000 году они поставили задачу «создать оптический дымовой извещатель, хорошо обнаруживающий черный дым и с достаточным уровнем обнаружения серого дыма, не приводящим к ложным срабатываниям. С этой целью фирма Hochiki провела ряд исследований параметров частиц при горении различных материалов. В процессе работы обнаружилось, что, изменяя угол рассеяния луча в инфракрасном диапазоне между излучателем и фотоприемником, можно минимизировать различия между переотражением светового потока от серых и от черных дымовых частиц. На основании этих исследований была разработана оптическая дымовая камера с «плоской» характеристикой (технология «Flat Response»), которая по способности обнаружения черного дыма близка к ионизационному дымовому извещателю, а уровень обнаружения серого дыма не завышен» [3].

Для реализации этой задачи понадобилось выполнить целый ряд работ по снижению уровня собственных шумов, вызванных отражением света излучателя от стенок оптической системы. Для этого они изменили технологию отливки элементов оптической системы. Также были проведены работы по повышению электромагнитной защищенности. Все это было связано с необходимостью смещения фотоприемника из зоны прямого рассеяния в непосредственную близость к зоне бокового рассеяния, где уровень интенсивности рассеяния намного ниже, чем в зоне прямого рассеяния. В этих извещателях точка наблюдения определена как Q = 70°, что на тот момент было революционным поступком (рис. 3) .

Рис. 3. (слева) Оптическая камера японской фирмы Hochiki
Рис. 4. (справа) Оптическая камера FDO181 Siemens
Оптическая камера японской фирмы Hochiki и FDO181 Siemens

Таким образом, примерно в 2002-2003 годах была реализована заявленная технология «Flat Response», что позволило использовать точку наблюдения с более равномерной интенсивностью рассеяния для всех тестовых пожаров. В какой-то мере это одновременно привело к некоторому снижению чувствительности к пыли, аэрозолям и парам.

Примерно по этому же пути пошли разработчики System Sensor, которые установили во всех своих извещателях точку наблюдения Q=45°, а также Tyco, применившие, в частности, в извещателях серии 801 MX точку наблюдения Q=55°. Фирма Siemens в системе Cerberus для из- вещателей серии FDO 181 (рис. 4) . установила такой же угол наблюдения, как и Hochiki с Q=70°.

Дальше всех пошли специалисты из Apollo. Они разместили светоизлучатель в вертикальном туннеле, расположенном ровно посредине оптической системы на ее верхней крышке, а фотоприемник горизонтально на нижней крышке. Таким образом, была выбрана точка наблюдения с Q=90°.

С учетом падения усредненного уровня сигнала в приемном тракте в данных извещателях были применены дополнительные меры по экранированию входных цепей для повышения защищенности от электромагнитных помех, которые по европейским нормам на порядок жестче российских. Также смещение приемника оптического сигнала в зону бокового рассеяния требует снижения уровня отраженного сигнала от стенок оптической системы, т.е. снижения уровня собственных шумов.

Это достигается как применением све- тоизлучателей и фотоприемников с узкой диаграммой направленности (порядка ±50°), так и их помещением в специальные светопоглощающие туннели, а также изготовлением стенок и крышек оптической камеры с мелкими светопоглощающими линзами. И тогда становится понятным, почему импортный реально работающий точечный дымовой пожарный извещатель не может стоить меньше $30 USA.


ПРОБЛЕМЫ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ДЫМОВЫХ ТОЧЕЧНЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕШАТЕЛЕЙ, ИЛИ КУДА И ЗАЧЕМ МЫ ИДЕМ

В отечественных оптико-электронных извещателях, с учетом отсутствия до сих пор в программе сертификации тестовых пожаров, некоторые производители идут совсем по другому пути. Размещая приемник оптического сигнала в зоне прямого рассеяния или где-то рядом с этим, таким образом повышают его чувствительность к тестовой аэрозоли в установке «Дымовой канал», добиваясь этим снижения себестоимости продукции в первую очередь за счет снижения затрат на экранирование входных цепей. В этом случае еще появляется возможность снижения электропотребления за счет снижения светоотдачи излучателя, можно не заботиться об уровне отраженного излучения от стенок оптической камеры. И при этом даже не рассматривается сама вероятность реагирования извещателя на пыль, аэрозоль и пары. В итоге такая продукция обеспечивает максимальную вероятность ложных срабатываний при минимальной чувствительности к пожарам, но никто из потребителей об этом даже и не догадывается.

Давайте попробуем представить обычный равнобедренный треугольник. Найдем в этом треугольнике центр тяжести. На всякий случай напомню, что центр тяжести треугольника - это точка пересечения всех трех медиан, которые в свою очередь являются отрезками прямых между вершинами и серединами противолежащих сторон данного треугольника. И вот примем эту точку за исходную для конкретного схемотехнического решения точечного пожарного дымового извещателя. Каждая из трех этих медиан будет характеризовать один из основных параметров извещателя:

  • обобщенную чувствительность тракта обработки, т.е. чувствительность ко всем частицам, которые появятся в оптической камере;
  • защищенность от электромагнитных помех;
  • защищенность от частиц, не являющихся продуктами горения, т.е. пыли, пара и всевозможных аэрозолей.

Именно эти три параметра из имеющихся четырех, будучи взаимосвязанными между собой, и определяют качество точечного дымового пожарного извещателя. Четвертым параметром является аэродинамическое сопротивление корпуса и оптической системы, но о нем чуть позже.

И вот теперь, не меняя площадь данного треугольника, попробуем сместить точку пересечения этих отрезков прямых в ту или в другую сторону.

Что мы получим, увеличивая защищенность от частиц, не являющихся продуктами горения, путем перемещения фотоприемника максимально в зону бокового рассеяния или даже обратного рассеяния? Мы, смещая установленную первоначально точку в треугольнике, или уменьшим защищенность от электромагнитных помех, или уменьшим обобщенную чувствительность тракта обработки, или выполним оба эти действия сразу. Но при минимальной обобщенной чувствительности извещатель не пройдет даже испытания в установке «Дымовой канал», значит, остается только один вариант «выйти из затруднительной ситуации» - за счет защищенности от электромагнитных помех. А у нас и так требуется как минимум 2 степень жесткости к ЭМС. В этом случае вступают в силу «договорные отношения».

Второй путь - это уменьшение защищенности от частиц, не являющихся продуктами горения, путем перемещения фотоприемника максимально в зону прямого рассеяния при той же обобщенной чувствительности тракта обработки. Таким образом, мы можем сразу повысить защищенность от электромагнитных помех, но использовать такой извещатель можно будет только в операционной палате больницы.

Напомню, что частицы, не являющиеся продуктами горения, имеют средние размеры от 0,5 до 10 мкм и от них не существует механических фильтров типа сеточки или решетки, от них так просто не защититься, и бороться с ними достаточно сложно, но можно.

В результате всего вышесказанного, получается, что вероятность ложных срабатываний при нормируемой обобщенной чувствительности тракта обработки для этого треугольника будет оставаться неизменной. Независимо от того, будет ли это повышенная чувствительность к частицам, не являющимися продуктами горения (а без них никак не бывает), или это будет повышенная чувствительность к электромагнитным помехам, которых нет только в лесу. Как говорят, «хрен редьки не слаще».

Тут нельзя еще забывать, что имеющееся аэродинамическое сопротивление как самого корпуса извещателя, так и его оптической системы значительно снижает как чувствительность к продуктам горения, так и чувствительность к частицам, не являющихся продуктами горения, одновременно не внося никаких улучшений в электромагнитную защищенность.

И вот вывод из этого. Не меняя площадь этого треугольника введением дополнительных защитных механизмов, положительного результата не достигнуть. А вот эти-то механизмы и стоят денег. Вот, оказывается, где клад зарыт, кто бы мог подумать.

Рис. 5. (слева) Оптическая камера ИП 21278/79/82 «Аврора»
Рис. 6. (справа) Оптическая камера ИП 21244
Оптическая камера ИП 21278/79/82 «Аврора» и ИП 21244

Где-то в 2001-2002 годах в ИВС «Сигналспецавтоматика» был налажен серийный выпуск извещателя ИП 212-44/43, в котором одним из первых в нашей стране была использована точка наблюдения с Q=60°, которая позволила создать очень неплохой по тому времени извещатель (рис. 6) .

Более того, в 2004 году с участием сторонних экспертов был проведен сравнительный анализ его параметров с параметрами извещателя, выполненного по технологии «Flat Response», разработанной Hochiki Corporation. Результаты, за исключением некоторых не самых критичных параметров, получились достаточно схожими. И я уверен, что именно этот извещатель за эти годы многие специалисты оценили в своей практической деятельности.

Вот как примерно выглядит список лидеров по выбору оптимальной точки наблюдения среди отечественных извещателей:

  • ИП 212-46 - Q=55°, «Контакт»;
  • ИП 212-26 ДИП-У - Q=60°, «Контакт»;
  • ИП 212-44 - Q=60°, ИВС Сигналспецавтоматика»;
  • ИП 212-34 - Q=60°, «Болид»;
  • ИПК8 (ИП 212-77) - Q=60°, «СКБ Электронмаш», Украина;
  • ДИП - И (ИП 212-67) - Q=60°, «ЛВС Электроникс»;
  • ДИП 66 (ИП 212-66) - Q=60°, «К-Инженеринг»;
  • ИП 212-89 - Q=65°, «Элемент»;
  • ДИП - ИС (ИП 212-70) - Q=70°, «ТЕХПРОМ» и «ЛВС Электро- никс».

Конечно, это не полный список, уверен, что он гораздо шире, но цели представить полный список и не ставилось в данной статье.

Как видно из приведенного перечня, не так все плохо, все- таки часть отечественных производителей, так же, как и за рубежом, постепенно смещает точки наблюдения в зону бокового рассеяния, как это в свое время сделали в Hochiki Corporation.

Рис. 7. (слева) Оптическая система ИП 212-45
Рис. 8. (в центре) Оптическая камера ИП 212-18 «ИД-2»
Рис. 9. (справа) Оптическая система ИП 212-34А
Оптическая система ИП 212-45, ИП 212-18 «ИД-2» и ИП 212-34

А вот теперь хотелось бы свести эту информацию к чему-то конкретному, осязаемому, что действительно можно будет потом использовать в практической работе. Как реально оценить качество того или иного извещателя, по каким параметрам его сравнивать с другими.

Что касается чувствительности к статическому дыму, т.е. достаточно равномерно распределенному по объему и медленно нарастающему, то это достаточно просто произвести в установке «Дымовой канал». Получили значения 0,05-0,2 дБ/м и все успокоились.

Если имеется необходимость понять чувствительность извещателя к реальному изменению оптической плотности среды при горении тех или иных продуктов, нужно воспользоваться результатами тестовых пожаров ТП2-ТП5. Тут уже включается способность извещателя показать свои аэродинамические характеристики. На основании этих тестов можно судить о реальной чувствительности того или иного извещателя к продуктам горения.

На испытаниях по электромагнитной совместимости не хотелось бы останавливаться в данной статье, это материал совсем для других статей, но процесс известен, методики тоже, а проблемы как были, так и остаются. Я уверен, что большинство читателей понимают, что объектов со 2-ой степенью жесткости по ЭМС, как это прописано в наших нормативах, не так уж много, а для работы на других реальных объектах наши отечественные извещатели мало подходят.

И вот теперь, наверное, самое любопытное. Как оценить защищенность пожарного извещателя к частицам, не являющимися продуктами горения, о которых я тут так много написал. Представьте себе, что этот параметр не оценивается нигде во всем мире.

Просто наши зарубежные коллеги не идут по пути максимального удешевления своей продукции, а ищут пути реализации и использования именно качественной продукции. Ну так у них сложилось. Поэтому они пока этот параметр не нормируют, веря своим производителям, что те всеми силами с этим борются. Не поймите, что они идут на это добровольно из чисто альтруистских побуждений, у них для этого есть нормы на вероятность ложных срабатываний, которые надо тем или иным путем реализовать, и они это действительно реализовывают.

Но поскольку в нашей стране все наоборот, то, наверное, у нас стоит и этот параметр как-то пронормировать, по- другому, т.е. добровольно, у нас не получается. В той же установке «Дымовой канал» проводим тесты на чувствительность к дыму от тлеющего хлопкового шнура и чувствительность к аэрозоли с размером частиц порядка 1,0- 3,0 мкм. Вот он и коэффициент защищенности от частиц, не являющихся продуктами горения. И все становится на свои места.

В принципе этот параметр можно и не мерить. Для любого специалиста не составит труда вскрыть корпус и открыть оптическую камеру, чтобы посмотреть выбранную точку наблюдения фотоприемника, и если выяснится, что угол между направлением излучения светодиода и осью фотоприемника меньше 30-45°, что и характеризует точку наблюдения, то можете быть уверены, что достаточно одной пылинки, пролетающей через оптическую камеру извещателя, чтобы вызвать реакцию, равносильную пожару. И не надо потом удивляться, а почему вроде нормальный извещатель, показавший очень приличные показатели при испытаниях и в установке «Дымовой канал», и после тестовых пожаров, вдруг ни с того ни с сего формирует ложные срабатывания. Матушку-природу не обмануть.

Но уж если точка наблюдения действительно находится в зоне бокового рассеяния, то неплохо бы посмотреть, а как реализована защита от электромагнитных помех. А никак. Как будто за последние двадцать лет ничего не менялось.

Конечно, необходимо было бы более серьезно подойти к вопросам электромагнитной защищенности и снижению уровня собственных шумов, вызванных отражением от стенок и крышек оптической камеры. Необходимость в этом вызвана значительным снижением интенсивности рассеяния в зоне бокового рассеяния, куда потихоньку идут все производители, по сравнению с зоной прямого рассеяния. Этого в целях экономии в большинстве случаев на должном уровне не делается, как и многого другого. В частности, нашими производителями в большинстве своем используются све- тодиоды с коротким сроком старения, что уже через один-два года приводит к снижению чувствительности в десятки раз. Дешево и сердито. Для снижения вероятности ложных срабатываний вопреки всем нормативным требованиям устанавливается доступный всякому регулятор чувствительности извещателя, а можно и вообще надеть на сам извещатель пластиковую крышку. И такие случаи сплошь и рядом имеются.

А пока мы не будем иметь сравнительных показателей прохождения тестовых пожаров в рамках огневых испытаний, характеризующих реальную, а не технологическую чувствительность к различным типам дыма, не будем понимать ничего о защищенности к частицам, не являющимися продуктами горения - обсуждение достоинств и недостатков наших ИП равносильно гаданию на кофейной гуще.


ВЫВОДЫ

В последние годы наметилось смещение фотоприемников оптических систем извещателей в зону бокового рассеяния, имеющую большую равномерность интенсивности рассеяния для различных тестовых пожаров по сравнению с зоной прямого рассеяния. Корректность данных мероприятий может быть проверена только в рамках огневых испытаний (ТП 1 - ТП5). Одновременно с этим снижается чувствительность к частицам, схожим по размерам с частицами дыма, но не являющимися продуктами горения.

С другой стороны в процессе данного смещения значительно снижается абсолютный уровень интенсивности рассеяния, т.е. сигнала на выходе фотоприемника, что требует повышения чувствительности тракта обработки. Но, повышая чувствительность тракта обработки, необходимо тщательно подойти к вопросу электромагнитной защищенности от внешних помех, чувствительность к которым значительно возрастает в рамках данных работ. А вот с этим вопросом у отечественных извещателей дела обстоят не самым лучшим образом.

Также следует отметить, что пока ни в одном отечественном извещателе не применялась и не применяется какого-либо типа защита от частиц, схожих по размерам с частицами дыма, но не являющихся продуктами горения. Но об этом в следующей части.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Дудкин Н.И., Адаев И.С. Статья об измерении массовой концентрации аэрозолей. Источник: http://www.eco-intech.com/library/#view/library/%3FELEMENT_ID%3D406
  2. FRITSCH. Измерение размера частиц. Каталог продукции.
  3. Т.В. Варламова. Пожарные извещатели фирмы «Hochiki» (Япония). // Алгоритм безопасности. - 2004. - №3.




Бумажные жалюзи день ночь плиссе на кухню купить

Поделиться:

Все права защищены
© ООО АДВ Секьюрити,
2003—2022
Яндекс.Метрика
Метрика cайта: новости: 8146 | компании: 528 | бренды: 423 | статьи: 1138

О проекте / Контакты / Политика конфиденциальности и защиты информации

Techportal.ru в соц. сетях