Ультразвуковой сигнализатор возгорания

Предлагаемый сигнализатор предназначен для систем распределённого контроля протяжённых пожароопасных объектов, например, топливных магистралей, электрических кабелей, газопроводов, резервуаров с горючими веществами, а также различных агрегатов. Он реагирует на тепловое воздействие пламени. Чувствительный элемент представляет собой ультразвуковой волновод, выполненный в виде гибкого провода из термостойкого металла, эквивалентный множеству распределённых по его длине датчиков температуры.

Шнуроподобная конструкция позволяет прокладывать такой элемент вдоль поверхности контролируемого объекта, следуя его форме.

Известны устройства аварийной пожарной сигнализации, чувствительный элемент которых выполнен в виде протяжённой термостойкой трубки, заполненной легкоплавким материалом, и через него осуществляется акустическая связь излучателя и приёмника ультразвука, расположенных на противоположных концах трубки [1, 2]. Находящийся внутри неё материал при нагревании пламенем плавится, в результате чего акустическая связь между излучателем и приёмником изменяется, что служит основанием для формирования сигнала тревоги.

Недостаток подобных устройств — сложная конструкция чувствительного элемента, которая должна исключить утечку расплава из трубки. Кроме того, температура срабатывания всегда равна температуре плавления заполняющего чувствительный элемент материала. Регулировать её можно лишь изменением его химического состава. На практике для разных условий приходится иметь запас чувствительных элементов из разных материалов, что не всегда приемлемо.

Сигнализатор, описанный в [3], действует по аналогичному принципу, но чувствительный элемент (ультразвуковой волновод) в нём выполнен не из трубки, а из сплошной термостойкой проволоки. Его достоинство — простота конструкции чувствительного элемента. Сигнал на входе приёмного устройства изменяется в результате сложных интерференционных явлений, происходящих в ультразвуковом волноводе при изменении скорости распространения волн в результате его нагревания. Температуру срабатывания можно регулировать изменением порога узла сравнения на выходе приёмника.

Недостаток заключается в том, что для получения нужной чувствительности зачастую приходится подстраивать частоту создаваемых ультразвуковых колебаний. Дело в том, что без неё принимаемый сигнал при возгорании может как уменьшаться, так и увеличиваться, а узел сравнения в устройстве [3] реагирует только на его уменьшение.

Рассмотренные выше сигнализаторы имеют ещё один общий недостаток. В них должно быть по два пьезоакустических преобразователя — передающий и приёмный, установленных на разных концах чувствительного элемента. Это усложняет конструкцию сигнализатора в целом, а в ряде случаев затрудняет его установку на объекте.

Предлагаемый сигнализатор возгорания свободен от перечисленных выше недостатков.

Основные технические характеристики ультразвукового сигнализатора возгорания:

Температура срабатывания,°С, не более………………200
Время срабатывания, с, не более ……………………15
Время восстановления, с, не более ……………………30
Длина чувствительного элемента, м, не менее…………..1
Рабочая частота, кГц……….80±0,5
Напряжение питания, В ………27±3
Ток потребления, мА, не более ……………………..100

Структура сигнализатора изображена на рис. 1. Он включает в себя генератор сигнала ультразвуковой частоты Г, усилители мощности УМ 1 и УМ2, пьезоакустический преобразователь ПП с присоединённым к нему ультразвуковым волноводом (чувствительным элементом), резистивный эквивалент пьезоэлектрического преобразователя ЭПП, датчики потребляемого усилителями УМ1 и УМ2 тока ДТ1 и ДТ2, дифференциальный усилитель ДУ, интегрирующая цепь И, пороговые устройства ПУ1 и ПУ2, узел индикации возгорания ИНД. Узлы УМ 1 и УМ2, ДТ1 и ДТ2 попарно идентичны.

Сигнал ультразвуковой частоты с выхода генератора Г поступает на входы усилителей УМ1 и УМ2. К выходу УМ1 подключён ультразвуковой пьезопреобразователь ПП, а к выходу УМ2 — его эквивалент.

ПП возбуждает продольные ультразвуковые колебания в волноводо-чувствительном элементе, которые распространяются до его конца, отражаются и возвращаются к преобразователю. В результате в волноводе устанавливается стоячая акустическая волна. Этому режиму соответствует определённое входное акустическое сопротивление волновода, служащее нагрузкой для ПП. От него зависят мощность, отбираемая ПП от УМ1, и ток, потребляемый этим усилителем от источника питания.

В отсутствие возгорания все эти параметры остаются неизменными. Однако при нагревании участка волновода пламенем скорость распространения по нему ультразвука изменяется. Соответственно меняются картина стоячих волн и входное акустическое сопротивление волновода. Результат этого — отклонение тока, потребляемого УМ1, от установившегося значения.

Сопротивление резистивного эквивалента излучателя ЭПП, подключённого к выходу УМ2, выбрано таким, чтобы в отсутствие возгорания значения тока, потребляемого УМ1 и УМ2, были равны. При этом не различаются и значения напряжения, поступающие с датчиков тока ДТ 1 и ДТ2 на входы вычисляющего их разность дифференциального усилителя Д У.

Выходной сигнал ДУ, пройдя через интегрирующую цепь И, дополнительно ослабляющую его ультразвуковую составляющую, поступает на входы пороговых устройств ПУ1 и ПУ2. Одно из них настроено так, что реагирует на увеличение напряжения относительно стационарного значения, а второе — его уменьшение.

При срабатывании любого порогового устройства узел индикации ИНД формирует звуковой и световой сигналы тревоги. После устранения возгорания и охлаждения чувствительного элемента сигнализатор вновь готов к работе. Другие дестабилизирующие факторы (например, изменение напряжения питания) не нарушают взаимного равенства тока, потребляемого УМ1 и УМ2, поэтому сигнал тревоги при их воздействии не вырабатывается.

Схема сигнализатора возгорания

Генератор Г собран на компараторе DA1. Его выходной сигнал представляет собой последовательность прямоугольных импульсов скважностью около двух. Конденсатор С2 и резисторы R4, R7 — частотозздающие, подстроечный резистор R7 обеспечивает возможность изменения частоты импульсов. Их амплитуду уменьшает до нужного значения резистивный делитель напряжения R9R10. Конденсатор С1 и резистор R1 образуют фильтр, уменьшающий проникновение в цепи питания сигнализатора импульсных помех, возникающих при работе генератора.

Н а транзисторах VT1, VT3 и VT4 собран усилитель УМ1, а на VT2, VT5 и VT6 — УМ2. Коэффициент усиления напряжения каждого из них задан отношениями сопротивления резисторов соответственно R13 к R11 и R14 к R12. Резисторы R15, R17 — нагрузочные первых ступеней соответствующих усилителей. Резисторы R13, R14, R16, R18, R20—R23 стабилизируют режим усилителей по постоянному току. Диоды VD1—VD4 задают напряжение смещения транзисторов VT3—VT6. К выходу УМ1 подключён пьезоакустический преобразователь BQ1 (ПП). Резисторы R24 и R25 образуют эквивалент такого преобразователя (ЭПП).

Датчики ДТ1 и ДТ2 представляют собой резисторы R19 и R26, включённые последовательно в цепи питания усилителей мощности.

На ОУ DA3 собран ДУ. Резисторами R27— R29, R33 задан его коэффициент усиления. Резисторы R30, R34 и конденсатор С9 обеспечивают нормальную работу ОУ при однополярном питании. Конденсатор С10 уменьшает амплитуду напряжения ультразвуковой частоты между входами ДУ.

Интегрирующая цепь И образована резистором R37 и конденсатором С13. ПУ1 и ПУ2 собраны соответственно на компараторах DA4 и DA5. Резистивными делителями напряжения R31R35 и R32R36 задают пороги их срабатывания. Конденсаторы С11 и С12 — фильтрующие.

Узел индикации возгорания состоит из электромагнитного излучателя звука НА1 со встроенным генератором, фильтрующего конденсатора С14 и мигающего светодиода HL2. Интегральный стабилизатор DA2 и фильтрующие конденсаторы СЗ, С4 образуют источник напряжения +15 В. Светодиод HL1 с резистором R8 — узел индикации включения прибора.

Детали сигнализатора смонтированы на макетной плате. Они соединены между собой тонкими изолированными проводами. Чувствительный элемент представляет собой отрезок медного провода диаметром 2 мм и длиной 1,5 м, припаянного одним концом к рабочей поверхности пьезоакустического преобразователя BQ1.

Вместо компаратора К554САЗА можно использовать К554САЗБ, К521САЗ, 521 САЗ или их импортный аналог LM311 с различными индексами. ОУ К140УД6 можно заменить на 140УД6А, 140УД6Б, 140УД601А, 140УД601Б, КР140УД6, КР140УД608 и другие ОУ общего применения. Импортные аналоги интегрального стабилизатора КР142ЕН8В — 7815 с различными префиксами и индексами.

Транзисторы КТ503Г могут быть заменены транзисторами той же серии или другими с аналогичными параметрами. Транзисторы КТ814Г, К.Т815Г можно заменять такими же с другими буквенными индексами или серий КТ816 и КГ817 соответственно.

Диоды КД522Б заменяемы другими маломощными импульсными кремниевыми диодами, например, из серий КД503, КД521. Светодиод АЛ307ВМ может быть любым другим, a L-816BID — мигающим светодиодом, например, L-796BID.

В сигнализаторе применены импортные оксидные конденсаторы, но пригодны и отечественные, например, К50-35. Керамические конденсаторы — К10-17а, К10-17б и другие аналогичные. Постоянные резисторы — С2-33 с возможной заменой на С2-23, МЛТ, ОМЛТ. Подстроечные резисторы — СП4-3, вместо них можно использовать СПЗ-16а, СПЗ-37, СПЗ-39а и другие подобные.

Электромагнитный излучатель звука HCM1212X можно заменить на HCM1612X. Пьезоакустический преобразователь BQ1 — бескорпусный зарубежного производства (предположительный тип VSB35EW-0701В), вместо него можно использовать другой с резонансной частотой 80 кГц. Выключатель SA1 может быть любого типа, например МТ-1.

Налаживание правильно собранного сигнализатора начинают с установки подстроечным резистором R7 частоты генератора Г, равной частоте последовательного резонанса пьезоакустического преобразователя BQ1. Амплитуда выходного сигнала этого генератора должна быть около 1 В, чего при необходимости добиваются подборкой резистора R9. Подбирая резисторы R13 и R14, устанавливают режимы работы усилителей (соответственно УМ1 и УМ2) по постоянному току такими, при которых максимальные сигналы на их выходах имеют наименьшие искажения. Равенства коэффициентов усиления УМ1 и УМ2 на рабочей частоте добиваются подборкой резисторов R11 и R12.

Подстроечным резистором R25 балансируют сигнализатор — добиваются минимально возможного постоянного напряжения между выводами конденсатора СЮ (входами ДУ) при равномерно прогретом до комнатной температуры чувствительном элементе. После балансировки постоянное напряжение на выходе ОУ DA3 должно стать равным приблизительно 7,5 В — половине напряжения питания микросхемы DA3.

Если теперь нагревать небольшие участки чувствительного элемента, например, пламенем спиртовки или свечи, выходное напряжение ОУ должно уменьшаться или увеличиваться (в зависимости от места и степени нагрева) не менее чем на 1 В относительно исходного значения. Срабатывания компараторов DA4 и DA5 при нагревании чувствительного элемента добиваются подстроечным и резисторами R31 и R32, при этом светодиод HL2 должен начать мигать, а излучатель НА1 — издавать прерывистый звук. Следует убедиться, что при остывании чувствительного элемента сигнализатор возвращается в исходное состояние, при котором светодиод HL2 и звуковой излучатель выключены, а напряжение на выходе ОУ DA3 приняло прежнее значение.

Устанавливая ультразвуковой сигнализатор возгорания на объекте, необходимо принять меры, исключающие влияние вибрации объекта и создаваемого им акустического шума на чувствительный элемент. Для этого его крепят, например, на виброизолирующих опорах. Объект большой площади или объёма контролируют, изгибая чувствительный элемент вокруг него.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Коннов В. П., Фомкин А. С. Устройство аварийной пожарной сигнализации. Патент РФ № 2315362. — Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2008, № 2.
2. Ильин О. П. Устройство аварийной пожарной сигнализации. Патент РФ № 2438183. — Бюллетень «Изобретения. Полезные модели», 2011 ,№ 36.
3. Ильин О. Сигнализатор возгорания. — Радио, 2009, №4, с. 36, 37.

Источник: Радио №02 2013г.
Автор: О. ИЛЬИН, г. Казань, Татарстан