Извещатели выявления дыма, работающие по линейному принципу, в пожарозащитных системах начали использоваться много лет назад. Наиболее рациональной их установка считается в залах и цехах с большими пространствами и высокими потолками. Преимущество линейных систем – более оперативное выявление участка возгорания, чем в случае с точечной разновидностью извещателей.
Три стадии развития систем с линейными извещателями:
-
- обычные линейные типа «передатчик-приемник»;
- состоящие из одного элемента с приемопередатчиком и рефлектором;
- последнее поколение – с двухчастотными излучателями и видеоматрицей.
Согласно действующим нормативам, извещатель пожарный дымовой линейный (ИПДЛ) на оптико-электронной основе – прибор, который генерирует оптический луч для прохождения сквозь наружную среду для контроля параметров последней. Луч имеет заданное направление. По тому, как ослабляется интенсивность волн после преодоления участка среды, делается вывод о задымлении. Этот принцип описан в ГОСТ Р 53325–2012.
Системы ИПДЛ должны срабатывать, если интенсивность луча снизится минимум на 9% (0,4 дБ) и максимум на 70% (5,2 дБ).
Дымовые извещатели первого поколения
Линейные системы обнаружения дыма этого типа состоят из двух элементов: излучающего и принимающего луч. Они крепятся друг напротив друга по разные стороны зоны контроля. Такие извещатели называются двухкомпонентными.
Задача передатчика – генерировать импульсные сигналы стабильной силы и частоты. Приемник получает сигналы и сопоставляет каждый с контрольным показателем, характерным для чистого воздуха. Этот показатель закладывается в приемник в процессе его настройки, перед запуском в работу. При возникновении дыма между двумя устройствами, размещенными на одной линии, сигнал затухает. Это фиксируется приемником. Если показатели достигнут критического значения, генерируется значение «Пожар».
Устройства этого типа нуждаются в юстировке (отладке перед запуском в работу). Она представляет собой довольно трудозатратную деятельность, направленную на обеспечение правильного положения обоих главных компонентов системы. Цель юстировки – совместить максимумы диаграмм направленности для того, чтобы получить самый сильный показатель сигнала. Роли приемника и передатчика чаще всего играют фотодиод и светодиод, функционирующие в ИК-спектре. Для увеличения эффективности используются системы линз, формирующие узконаправленные диаграммы.
Юстировка выполняется следующим образом. Начальный уровень сигнала, поступающего на приемник, каким-то образом фиксируется по его отображению – например, по показателям светодиодной индикации. Далее с помощью винтов выверяется вертикальное и горизонтальное расположение приемника. То же самое проделывается с излучателем. Процесс повторяется нужное количество раз до момента, пока не перестанет расти уровень сигнала. Юстировка очень важна для своевременного обнаружения возгорания. Поэтому она не должна изменяться в течение жизненного цикла датчиков. Именно по этой причине дымовые извещатели разрешается размещать исключительно на капитальных колоннах или других конструкциях со стабильным положением в пространстве.
При небрежной юстировке экстремумы диаграмм отклонены в бок. В итоге оптическая ось между двумя приборами будет трассироваться сквозь скаты диаграмм направленности. Это может и будет провоцировать или существенное понижение, или увеличение интенсивности сигнала. При первом варианте возникнет ошибочный сигнал о возгорании, при втором – о неисправности.
Проблема, которая может возникнуть в процессе эксплуатации нескольких пар «передатчик-приемник» в одном пространстве – взаимное влияние одной пары на другую. Это дезорганизует работу излучателей. Чтобы исключить такую возможность, монтаж излучателей и приемников выполняется через один на каждой стене. Благодаря этому дистанция между рядом идущими излучателями возрастает вдвое. На определенные разновидности дымовых извещателей для решения этой проблемы устанавливаются линии синхронизации, которая селективно выбирает нужные сигналы.
После юстировки ИПДЛ подвергаются проверке на работоспособность с помощью специальных фильтров, контролирующих чувствительность системы. Фильтры представляют собой периодическую структуру из затемненных и просвечивающихся участков. Она похожа на сетку. Показатель ослабевания соответствует проценту затемненных участков фильтра. Одна система тестируется с помощью двух фильтров с процентами затемнения больше и меньше пороговых показателей сигнала.
Светофильтры для тестов чаще всего поставляются в комплекте с извещателями. В крайнем случае их получится распечатать на листе из целлулоида или другого прозрачного материала. Фильтр помещается напротив оптической системы передающего или принимающего устройства. При использовании одного светофильтра система должна оставаться в рабочем состоянии, второго – выдавать сигнал о пожаре.
Тестирование линейных извещателей проводится с хорошей точностью, в то время как чувствительность точечных приборов почти не поддается проверке.
Пожарные извещатели второго поколения
Около десятилетия назад в продажу поступили ИПДЛ новой конфигурации. В них излучатель и приемник помещаются в одном устройстве, а на противоположной стене от последнего вешается специальный отражающий рефлектор. Последний представляет собой катафот преимущественно квадратных контуров. Катафот состоит из большого количества оптических уголковых отражателей. Геометрически они представляют собой прямоугольные тетраэдры. Попадающий на них световой луч отбивается назад под тем же углом и падает на корпус приемопередатчика.
Достоинство модели второго поколения в том, что она не нуждается в точнейшей юстировке. Если отражатель отклонится от изначального местоположения на 5…10 градусов, это почти не скажется на рабочих качествах однокомпонентного извещателя. Также отражатель не нужно снабжать электропитанием. Эти два фактора существенно понижают сложности монтажа. Но приемопередатчик все же нужно юстировать, так же как и размещать на конструкциях, чье положение не меняется со временем. К таким конструкциям, согласно СП5.13130 п.13.5.1, относятся не только колонны, но и жестко закрепленные стены.
Показатели передаваемого и принимаемого сигнала извещателей второго поколения обуславливаются двумя факторами: дистанцией от приемопередатчика до отражающего рефлектора и площадью последнего. Луч преодолевает интервал дважды: от передающего блока до отражателя и назад. Если это расстояние увеличить, то уровень возвратившегося сигнала ухудшается соразмерно дистанции, возведенной в 4-ю степень.
Чтобы скомпенсировать понижение сигнала при увеличившейся дистанции, нужно существенно развивать площадь поверхности рефлектора. Например, от отражателя единичной площади до приемопередатчика расстояние составляет 50 м. Если развить размеры рефлектора в 4 раза, расстояние без потери качества увеличится только до 70 м. Монтаж девяти единичных отражателей дает возможность удлинить расстояние до 85 м (в 1,74 раза). Чтобы увеличить дистанцию между компонентами системы до 100 м (в 2 раза), общую площадь отражателей нужно развить в 16 раз. Но сечение луча в поперечнике вырастет в два раза и приблизится к габаритам отражателя. При таком варианте нельзя допускать отклонения луча от оптической оси устройства даже на полградуса: это спровоцирует срабатывание ложной тревоги.
При удалении приемопередатчика от рефлектора на 100 м сечение луча в диаметре составит около 1 м. Если оптическую ось отклонить больше, чем на полградуса, на части отражателя будет лежать тень. Отсвеченный сигнал вернется на принимающее устройство не полностью из-за того, что часть отражателя уйдет в тень. При снижении вернувшегося сигнала срабатывает пожарная тревога. Если луч отклонится еще больше, может возникнуть сигнал «Неисправность». В более деформативных сооружениях, элементы которых отклоняются от первоначального положения из-за температурных деформаций, снеговой или ветровой нагрузки, ИПДЛ работают менее стабильно. Металлические каркасные здания больше подвержены деформациям, чем железобетонные.
Помимо этого, нужно стремиться к отсутствию затеняющих и отражающих конструкций рядом с приемопередатчиком. Отражающие предметы могут формировать так называемый паразитный сигнал, уровень которого способен превысить сигнал, поступающий от отражателя к приемопередатчику. К примеру, если поблизости к приемнику находится балка, из-за паразитного отражения система будет отвечать преимущественно за участок до балки. Промежуток за ней выпадет из зоны контроля.
Похожая ситуация неустойчивой работы системы ИПДЛ-отражатель характерна при использовании датчиков в больших торговых или складских помещениях. Часто проблемы возникают из-за того, что при создании проекта пожарной сигнализации нереально представить конфигурацию припотолочного пространства после установки инженерных сетей. Если отражатель окажется полностью или частично перегороженным трубой или подвеской со светоотражающей изоляцией, ИПДЛ не будет работать стабильно.
Такое расположение частей извещателя запрещено пунктом 13.5.2 документа СП5.13130. Этот свод правил предписывает исключать попадание посторонних объектов в зону между приемопередатчиком и рефлектором линейного ИПДЛ. Предполагается, что в новый вариант этого документа, регулирующего работу линейных извещателей, будет включено требование о минимальном удалении оптической оси от перегородок, труб и других объектов. Оно должно быть большим максимального радиуса луча на всей его протяженности.
Работоспособность ИПДЛ-систем и их независимость от влияния сторонних объектов нужно контролировать. Для этого после юстировки проводятся проверочные тесты на сигналы о замеченной пожарной опасности и неисправности системы. Чтобы сымитировать затухание сигнала на 30%, нужно прикрыть немногим более половины площади рефлектора, а затухание 50% - около 0,75 площади. Почему так?
Порог в 30% означает, что ИПДЛ среагирует на ослабление сигнала на 30%. То есть на отражатель попадет 70% отраженных ИК-волн. Значит, коэффициент передачи будет ровняться по 0,7 в прямом и обратном направлениях. Результирующий коэффициент передачи составит 0,7х0,7=0,49, а затухание будет равно 1-0,49=0,51, то есть 51%. Значит, при проверке извещателя с порогом 30% нужно перекрыть 51% площади рефлектора. Если при этом система не перейдет в пожарный режим, значит, она неработоспособна. Отладчикам придется поработать над тем, чтобы устранить отражение луча от сторонних объектов, а потом снова провести юстировку и тесты на срабатывание.
Второй порог ИПДЛ, характерный для сигнала «Неисправность», составляет 90%. Подразумевается, что на рефлектор попадает 10% луча, то есть оба коэффициента (в прямом и обратном направлениях) составляют по 0,1. Результирующий коэффициент будет равен 0,1х0,1=0,01, затухание будет 1-0,01=0,99, или же 99%. Для линейных извещателей первого поколения этот показатель будет равен 90%. Цифра 99% говорит о том, что сигнал о неисправности можно получить, лишь разместив перекрывающий предмет прямо перед отражателем.
По логике, почти любая блокировка ИК-луча между приемопередатчиком и рефлектором будет вызывать сигнал якобы о пожаре. Это объясняется отражением сигнала от стороннего предмета, расположенного более близко, чем отражатель. Стоит обратить внимание, что уровень сигнала, отбивающегося при дальности соответственно 50 м и 5 м, будет отличаться в 10 тыс. раз, или на 40 дБ.
Защитные ИПДЛ третьего поколения
Новейшие извещатели последнего поколения для приема сигнала используют цифровую CMOS-камеру. Ее задача – контроль сигнала от одного или более двухдиапазонных ИК и УФ-излучателей. Эта конструкция позволяет избежать сразу нескольких недочетов, характерных для дымовых излучателей первых двух поколений.
Среди важных достоинств ИПДЛ последнего поколения можно назвать следующее:
- Задействованная в конструкции видеокамера сводит на нет влияние паразитного отражения в пространстве. Камера воспринимает излучатель как точку и отдельно видит каждую из конструкций здания. Для того чтобы излучающее устройство на основе видеокамеры работало адекватно, ему вполне хватит незанятого пространства в радиусе 7,5 м от оптической оси устройства (при дальности между камерой и отражателем 150 м).
- Полноцветная CMOS-матрица дает возможность определять плотность оптической среды сразу в УФ- и ИК-диапазонах. По полученным показателям сравниваются ослабления сигнала в обоих диапазонах, в результате частицы дыма поддаются идентификации исходя из их размеров. Такой подход не позволит спутать дым с пылью, паром, частицами аэрозолей, мошками, птичками при попадании всего этого в зону действия луча.
- Одна камера-приемник с широкоугольным объективом в состоянии держать под контролем сразу до семи излучателей, попадающих в сектор до 80 градусов. Это позволяет эффективно распределять датчики по площади и защищать ее более надежно. Каждый излучатель передает сигнал с индивидуализированной кодировкой, что позволяет получателю легко идентифицировать адреса сигналов.
- Есть два варианта излучателей – которые запитываются извне от 24 В или от встроенных батарей с гарантированным сроком эксплуатации до 5 лет. Это удобно и для монтажа, и для использования системы.
- Излучатели, работающие в ультрафиолетовом диапазоне, в 2-3 раза более восприимчивы, чем работающие в инфракрасном диапазоне.
Приемники и излучатели имеют сферический вращающийся корпус. Он напоминает глазное яблоко, но на месте зрачка находится линза. Такая конструкция позволяет отклонять оптическую ось на 60° в горизонтальной плоскости и на 15° в вертикальной. А значит, можно обойтись без кронштейнов в помещениях, форма которых отличается от правильной прямоугольной.
Оба блока ИПДЛ имеют сравнительно миниатюрные габариты, около 19,8х13,0х9,6 см. Это позволяет устанавливать их в помещениях с любыми размерами и высотой потолка. Оптические оси излучателей предварительно юстируются на производстве, а после монтажа юстировку можно провести посредством лазерной указки, не делая настройки по максимальному сигналу.
Тестирование комбинированных ИПДЛ, работающих в УФ и ИК диапазонах
Двухдиапазонные излучатели третьего поколения тестируются иначе, чем все остальные. Они проходят тесты с использованием красных либо оранжевых световых фильтров. Последние практически нивелируют действие УФ-сигнала, в полной мере пропуская ИК-лучи. Этот принцип взят из эпохи черно-белой фотографии, когда мастера-пленочники снимали пейзажи с помощью оранжевого фильтра на объективе. Фильтр задерживал синие лучи от неба, и на фото колоритно расставлялись акценты на светлых кучевых облаках, помещенных на темный фон.
Итоги экспериментов показали, что принцип распознавания частиц по их размеру исключает ложные срабатывания. Комбинированный УФ+ИК излучатель действует по принципу рассеяния, разработанному немецким физиком Г.Ми. Согласно данным ученого, вид графика рассеяния находится в прямой зависимости с отношением диаметра частичек к длине световой волны. От этого же соотношения зависят такие показатели, как уровень рассеяния в направлении иррадиации света и затухание лучей. На практике это выражается в следующем.
Почти при всех видах горения диаметр дымовых частичек существенно миниатюрнее, чем летучих пылевых частичек, испарений и аэрозолей. В УФ-спектре ослабевание лучей при продвижении сквозь дымовую завесу намного больше, чем затухание его же в ИК-спектре. Если луч в процессе тестирования проходит через воздух с крупными загрязняющими частичками, к примеру, сквозь аэрозольное распыление, показатели в обоих диапазонах ослабляются одинаково. Именно эта особенность дает возможность устранить ошибочные срабатывания сигнализации ИПДЛ, давая подлинные сигналы о пожаре только при возгорании.
Замеры изменившейся плотности в обоих диапазонах осуществлялись при тестах по стандартному очагу для тестирования согласно ГОСТ Р 53325–2012 ТП-5А. Поджигался г
орючий состав, дающий минимум задымления. Применение состава оправдано только при проверке аспирационных ИПДЛ класса А со значительной восприимчивостью (ниже 0,035 дБ/м). В тестовом очаге с габаритами в плане 10х10 см поджигается состав весом 130 г из н-гептана и трехпроцентного толуола. На удалении 1 м располагается приспособление по типу вентилятора.
Наблюдения показали, что, начиная с самых малых показателей задымления, оптическая плотность в ультрафиолетовом спектре больше, чем в инфракрасном, почти в два раза. Предупреждение о пожаре система выдала спустя 337 секунд после развертывания эксперимента. В этот момент затухание в УФ-диапазоне составляло почти 30% (1,55 дБ), а в ИК-диапазоне около 16% (0,76 дБ). Дистанция между излучателем и видеоматричной системой составляла 8 м, то есть средняя относительная оптическая плотность в спектре ИК приближалась к 2,2%/м (0,095 дБ/м). По результатам вышло, что извещатель в диапазоне УФ прошел проверки по требованиям ТП-5А для аспирационных ИПДЛ класса А.
Наибольшая оптическая плотность в процессе опытов была отмечена спустя 686 с. Она составляла в ультрафиолетовом спектре 63,8% (4,4 дБ) и в инфракрасном 40% (2,2 дБ). Средняя наибольшая оптическая плотность в УФ области спектра приблизилась к 0,55 дБ/м, а в ИК-области – к 0,28 дБ/м. Стоит обратить внимание, что точечные дымовые датчики при таких показателях вообще не дают сигнала: опытные проверки их работы делаются по очагам 33х33 см (то есть с площадью, увеличенной в десять раз), и без перемешивания среды. Точечные CO-газовые извещатели не могут найти даже сам источник ТП-5.
Перспективы эволюции и использования ИПДЛ в будущем
Предполагается, что линейные пожарные извещатели могут усовершенствоваться исключительно посредством перехода в УФ-диапазон, что повысит их восприимчивость в 2-3 раза. Оправданным является использование комбинированных двухдиапазонных решений с рабочими УФ и ИК спектрами. Достоинство последних – минимизация ошибочных срабатываний от испарений, пылевых и аэрозольных частиц, а также в случае перекрытия лучей предметами. В таких извещателях в качестве приемников задействуются видеоматрицы, способные принимать сигналы в пространстве и исключающие отзеркаливание от близлежащих конструкций.
