Розробка датчиків первинної інформації для систем пожежної сигналізації

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ

ХАРКІВСЬКИЙ ІНСТИТУТ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ

УДК 614.842

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

РОЗРОБКА ДАТЧИКІВ ПЕРВИННОЇ ІНФОРМАЦІЇ ДЛЯ СИСТЕМ ПОЖЕЖНОЇ СИГНАЛІЗАЦІЇ

05.26.03 - Пожежна безпека

ПЕРЕСТА ЮРІЙ ЮРІЙОВИЧ

Харків - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському інституті пожежної безпеки МВС України.

Науковий керівник:

Абрамов Юрій Олексійович, доктор технічних наук, професор, Заслужений винахідник України, Харківський інститут пожежної безпеки, проректор з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

Прохач Едуард Юхимович, доктор технічних наук, професор кафедри безпеки життєдіяльності, Харківський військовий університет;

Муравьов Сергій Дмитрович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник, Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки МВС України (м. Київ).

Провідна установа: Харківська державна академія залізничного транспорту, кафедра безпеки життєдіяльності.

Захист відбудеться "15" червня 1999 року в 14-00 годин на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Харківському інституті пожежної безпеки МВС України за адресою: 310002, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського інституту пожежної безпеки МВС України.

Автореферат розісланий "14" травня 1999 року.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Кривцова В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Існує стійка тенденція до росту кількості великих пожеж та аварій, що крім інших причин обумовлює низьку ефективність систем пожежної автоматики і, зокрема, систем вияву пожеж - систем пожежної сигналізації.

Незважаючи на те, що по ряду кількісних показників стосовно до систем пожежної сигналізації країни СНД (і Україна також) входять до групи провідних країн світу, якісні показники, що відображають рівень технічних рішень в цій галузі, в країнах СНД на один - два порядки нижче, ніж у світі. При цьому слід відмітити, що тенденції розвитку систем пожежної сигналізації у провідних країнах світу пов'язані, окрім інших напрямків, з удосконаленням технічних характеристик одного з основних елементів - датчиків первинної інформації. Зокрема, існує потреба у зниженні енергоспоживання цими датчиками, підвищенні їх надійності, а також у скороченні часу їх спрацьовування тощо.

За кордоном дослідження і розробки в даній галузі ведуться Управлінням по дослідженню в галузі будівництва (BRE, Великобританія), Лабораторією будівництва та дослідження пожеж (BERL, США), Інститутом пожежних досліджень (FRI, Японія), ВНДІПО МВС Росії та інші. В Україні подібною тематикою займаються УкрНДІПБ МВС України, НВО "Меридіан", ВО "Хартрон", НВО "Респіратор", ХІПБ МВС України та інші. Рівень досліджень, що проводяться в цих країнах свідчить, що повністю задачі, пов'язані із створенням датчиків первинної інформації для сучасних систем пожежної сигналізації, не вирішені.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати досліджень одержані в рамках науково-дослідних робіт, які відповідають переліку Проблем науково-технічного розвитку державної пожежної охорони України на період 1995-2000 рр. (НДР за замовленням ГУДПО МВС України - №№ держреєстрації 0195U002510 та 0195U016767).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження - обґрунтування можливості створення теплових пожежних сповіщувачів максимального типу, які забезпечують мінімальне споживання енергії і засновані на використанні ефекту пам'яті форми та прямого п'єзоефекту.

Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити такі задачі:

обґрунтування принципів побудови датчиків первинної інформації - теплових пожежних сповіщувачів з поліпшеними технічними характеристиками;

аналіз фізичних процесів, що протікають в елементах теплового пожежного сповіщувача;

побудова математичних моделей, які адекватно відбивають процеси, що мають місце в елементах пожежного сповіщувача;

розробка алгоритму оцінки часу спрацьовування теплового пожежного сповіщувача;

створення макетних зразків та установки для експериментальних досліджень;

оцінка адекватності математичних моделей;

одержання метрологічних характеристик теплових пожежних сповіщувачів при визначенні їх часу спрацьовування для різних законів зміни температури навколишнього середовища.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що автором:

обґрунтовано принципи побудови датчиків первинної інформації - теплових пожежних сповіщувачів максимального типу з поліпшеними технічними характеристиками, заснованих на використанні ефекту пам'яті форми і прямого п'єзоефекту;

одержано математичні моделі теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми у часовій та частотній областях;

розроблено алгоритм оцінки основної технічної характеристики пожежного сповіщувача - часу його спрацьовування, який базується на використанні математичних моделей стандартних осередків горіння та теплових пожежних сповіщувачів;

одержано методами імітаційного моделювання та методами теорії плануванні експерименту залежності похибок часу спрацьовування теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми від похибок, що мають місце при випробуваннях сповіщувачів для стрибкоподібного та лінійного законів зміни температури навколишнього середовища.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що їх використання забезпечує створення датчиків первинної інформації для систем пожежної сигналізації, які мають поліпшені характеристики. Вперше вирішена задача з метрологічного забезпечення, наприклад, сертифікаційних випробувань пожежних сповіщувачів подібного типу. Результати досліджень впроваджені в АТ "Хартрон" при розробці станції пожежної сигналізації типу "Прометей", а також у випробувальному центрі "Росток-ВЦ" при обґрунтуванні засобів вимірювання параметрів випробувального обладнання. Математичні моделі датчиків первинної інформації, а також алгоритми оцінок часу їх спрацьовування використані у навчальному процесі в ХІПБ МВС України при вивченні дисципліни "Пожежна автоматика".

Особистий внесок здобувача. Конкретна особиста участь здобувача полягає в аналізі стану з пожежними сповіщувачами в Україні, у формуванні гіпотези математичного опису сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми, в побудові моделей елементів теплових пожежних сповіщувачів, у формуванні методології випробувань таких сповіщувачів, а також в одержанні залежностей, що використовуються для вирішення задачі їх метрологічного забезпечення.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи докладені й обговорені на III Всеукраїнській науково-практичній конференції "Пожежна безпека-97" (УкрНДІПБ МВС України, м. Київ, 1997 р.), на 14-й Всеросійській науково-практичній конференції "Пожарная безопасность, история, состояние, перспективы" (м. Москва, ВНДІПО МВС Росії, 1997 р.), на науково-технічних семінарах Харківського інституту пожежної безпеки МВС України (1996 р., 1997 р., 1998 р.).

Публікації. Основний зміст роботи опубліковано в 9 наукових статтях, п'ять з них - у виданнях, що включені до переліку ВАК України.

Дисертація складається з вступу, чотирьох глав, висновків і переліку посилань. Містить 141 сторінку, 22 таблиці, 38 рисунків, 80 найменувань переліку посилань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується вибір і актуальність теми дослідження, визначаються мета досліджень, задачі досліджень, наукова новизна, практична значимість роботи.

В першому розділі здійснюється аналіз систем пожежної сигналізації, постановка задачі дослідження та розглядаються особливості її вирішення.

Показано, що одним з перспективних напрямків з організації протипожежного захисту об'єктів різного призначення є автоматизація цього процесу.

Аналіз технічних рішень систем пожежної сигналізації серед провідних країн світу свідчить, що по ряду кількісних показників стосовно до цих систем країни СНД входять до групи провідних країн світу. Однак якісні показники, які характеризують рівень технічних рішень в цій галузі, в країнах СНД і в Україні також на один - два порядки нижче, ніж у провідних країнах світу. Аналіз тенденцій розвитку систем пожежної сигналізації свідчить, що має місце тенденція до підвищення "інтелекту" таких систем, а також до підвищення їх надійності, зниження часу виявлення пожежі, удосконалення технічних характеристик найбільш важливих елементів таких систем, наприклад, датчиків первинної інформації тощо. Серед цих датчиків - пожежних сповіщувачів - у світі найбільш поширені димові і найменш - полум'я. Для країн СНД, а також для України, найбільше розповсюдження, порівняно із світовим показником, мають теплові сповіщувачі у співвідношенні приблизно 3:2, а серед них найбільш поширені сповіщувачі максимального типу. Останні у структурі технічних рішень складають біля 95 %.

Узагальнені дані з технічних характеристик теплових пожежних сповіщувачів, які найбільш розповсюджені на різних об'єктах України, свідчать, що вони потребують від 0,2 мА до 300 мА електричного струму у черговому режимі. Зважаючи на те, що сучасні системи можуть включати до 103 сповіщувачів, ця обставина обумовлює вирішення задачі по зменшенню енерговитрат такими сповіщувачами, причому інші їх технічні характеристики не повинні суттєво відрізнятись від кращих світових зразків.

Показано, що найбільш радикальним шляхом вирішення задачі є застосування ефекту пам'яті форми спільно із прямим п'єзоефектом для побудови теплових сповіщувачів максимального типу.

В другому розділі розглядаються принципи та фізичні основи побудови економних теплових пожежних сповіщувачів.

Відомі технічні рішення теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми зводяться до реалізації комутаційного елементу, який одноразово виконує і роль чутливого елементу сповіщувача. Подібні технічні рішення принципово припускають наявність електричного струму у шлейфах, до яких включені сповіщувачі, тобто вони є елементами, що потребляють енергію. Крім того, такі рішення не завжди є іскробезпечними, що суттєво зменшує можливості по їх використанню.

Запропоновано нову схему побудови теплового пожежного сповіщувача. Принцип дії такого сповіщувача полягає у тому, що внаслідок проявлення ефекту пам'яті форми при збіжності температури навколишнього середовища та якогось постійного її значення (поріг спрацьовування) здійснюється механічна дія збоку чутливого елементу на виконавчій елемент сповіщувача. Внаслідок цієї дії має місце проявлення прямого п'єзоефекту у виконавчому елементі, що призводить до появи на його виході електричного сигналу, який несе корисну інформацію.

Розглянуто фізичні основи та особливості побудови чутливого елементу сповіщувача і показано, що механізм пам'яті форми пов'язаний з особливостями термопружного мартенситного перетворення, яке є одним з різновидів поліморфного фазового переходу. Розглянуті основні фактори, що впливають на проявлення цього ефекту, серед яких виділені деформація та умови її формування, швидкість зміни температури, попередній наклеп, напруження, склад та термообробка.

Серед достатньо великої кількості сплавів з ефектом пам'яті форми можна виділити малу кількість систем, що задовольняють вимогам стосовно до пожежних сповіщувачів. Це сплави на основі трьох базових систем - CuZn (b-латунь), CuAl (алюмінієва бронза) та TiNi (нікелід титану). Кращі з цих зразків повертають 15ё20 % деформації, генерують напруження 50ё70 кг/мм 2, в них можна варіювати температуру проявлення пам'яті у діапазоні (- 250)ё500 оС. Принциповою відзнакою TiNi від метастабільних сплавів на основі Cu є те, що нікелід титану - це стабільне ОЦК з'єднання. Воно не розкладається на інші фази і існує в вузькому інтервалі 50ё52 ат Ni при 800 оС. Слід підкреслити, що оптимальні умови для прояву ефекту пам'яті форми реалізуються в системі Ti-Ni-Х, де Х - Cu, Pd, Au тощо, причому по економічним показникам система Ti-Ni-Cu є поза конкуренцією.

Наводяться узагальнені дані стосовно параметрів матеріалів з ефектом пам'яті форми.

Розглянуто фізичні основи та особливості побудови виконавчого елементу сповіщувача і показано, що механізм прямого п'єзоефекту пов'язаний із зміною або із появою сумарного дипольного моменту при зміщенні електричних зарядів внаслідок дії механічного напруження. Показано, що найбільш сильні п'єзоелектричні властивості мають п'єзокерамічні матеріали на основі цирконат-титанат-свинця (приведені основні характеристики таких систем для України, США, Германії та Японії). Ці матеріали мають структуру типу перовкситу:

PbTiO3 - PbZrO3 - S PbO3,

де a=1/2, 1/3, 1/4; В' - Nb, Sb, Ta, W; В" - Li, Mg, Ni, Mn.

Проведено аналіз впливу основних факторів на технічні характеристики п'єзокерамічних матеріалів. Показано, що величина адитивної похибки у вихідному сигналі виконавчого елементу може досягати декількох одиниць відсотків, а величина мультиплікативної похибки до (15ё20) %, коефіцієнт корисної дії може досягати 0,99, а інтенсивність відмовлень наближається до показників сучасних твердотільних інтегральних мікросхем.

В третьому розділі розробляються математичні моделі теплових пожежних сповіщувачів. Чутливий елемент сповіщувачів розглядається як сукупність лінійної та імпульсної частин.

Динамічні властивості лінійної частини чутливого елементу сповіщувача відбиваються диференційним рівнянням у вигляді:

(1)

де а - коефіцієнт температуропровідності, R - половина товщини чутливого елементу.

Крайові вимоги мають вигляд:

(2)

(3)

(4)

де h - відносний коефіцієнт конвективного теплообміну; - температура навколишнього середовища.

За вихідний сигнал приймається сигнал, що відповідає середньооб'ємному значенню температури. Якщо має місце F0 і 0,5; Bi Ј 1,0, де F0, Bi - відповідно критерій Фур'є та критерій Біо, то з похибкою, що не перевищує 1-2 %, модель лінійної частини чутливого елементу сповіщувача може бути представлена у вигляді:

(5)

причому b1 - корінь трансцендентного рівняння:

Для стандартних законів одержані оцінки, що характеризують інерційні властивості лінійної частини чутливого елементу сповіщувача.

З використанням інтегрального перетворення Лапласу, а також за допомогою імпульсної перехідної функції, яка є розв'язком системи (1)ё(4), одержані передаточні функції лінійної частини чутливого елементу сповіщувача. Вони одержані відповідно у замкнутій формі:

, (6)

і у вигляді ряду:

(7)

Показано, що при виконанні умов: де Pd - критерій Предводітєлєва, з методичною похибкою, яка не перевищує 5 %, передаточна функція лінійної частини чутливого елементу сповіщувача може бути апроксимована передаточною функцією аперіодичної ланки.

Для побудови моделі імпульсної частини чутливого елементу сповіщувача він представляється у вигляді дельта-імпульсного та формуючого елементів. Моделі цих елементів мають вигляд:

(6)

(7)

де Тп - поріг спрацьовування; tc - час спрацьовування сповіщувача; t0 - тривалість вихідного сигналу; d(t) - дельта-функція.

В загальному випадку моделі виконавчого елементу сповіщувача, яким є п'єзоелемент, мають нелінійний вигляд. Вони носять амплітудно-просторово-часовий характер і визначаються не тільки параметрами матеріалу, топологією та поляризацією п'єзоелементу, а і амплітудою, а також швидкістю зміни сигналів та збурень. На підставі методу М.П. Симою, який базується на використанні перехідних функцій, у загальному вигляді модель виконавчого елементу сповіщувача можна представити у вигляді:

(8)

де Tп, Tm, t - параметри моделі.

На підставі моделей елементів сповіщувача та моделей сигналів, що діють на його вході, розроблено алгоритм визначення основної характеристики сповіщувача - часу його спрацьовування. Для стандартних осередків пожежі TF-1, TF-5 та TF-6, рекомендованих євростандартом EN-54 (ч. 9), у випадку, коли сповіщувачі розташовані над цим осередком, апріорні оцінки часу спрацьовування tc теплових пожежних сповіщувачів визначаються як рішення рівняння:

(9)

де q0, а 0, а 1, а 2 - параметри закону зміни температури навколишнього середовища; С 1, Д 1, Тп - параметри сповіщувача.

На рис. 1 представлені номограми для апріорних оцінок часу спрацьовування сповіщувачів як функції критерію Біо для стандартних осередків пожеж TF-5 та TF-6.



Рисунок 1 - Залежність часу спрацьовування сповіщувача від критерію Біо

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням та імітаційному моделюванню теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми.

Для проведення досліджень розроблено макет сповіщувача із змінними чутливими елементами, для яких поріг спрацьовування лежить у діапазоні (56ё84) 0С (сплави на основі TiNi та CuAl). Створено експериментальну установку, яка забезпечує два закони зміни температури - стрибкоподібний або лінійний, причому у другому випадку швидкість зміни температури може варіюватись у діапазоні (0,05ё0,5) 0С/с.

Основна задача експериментальних досліджень полягає в оцінці адекватності моделей, що описують процеси в тепловому пожежному сповіщувачі. Відповідно до цієї задачі розроблено методики проведення досліджень.

На першому етапі визначався поріг спрацьовування сповіщувача для різних чутливих елементів. В табл. 1 приведено приклад результатів таких випробувань для одного із зразків чутливого елементу.

Показано, що причина появи методичної похибки пов'язана із визначенням порога спрацьовування сповіщувача по температурі теплового поля, в якому він знаходиться, а не по величині його вихідного сигналу. Для всіх зразків чутливих елементів макетів методична похибка не перевищувала 1,36 % і мало місце її зростання із ростом температури навколишнього середовища. На рис. 2 наведені залежності порога спрацьовування макетів зразків від швидкості зміни температури.

Результати досліджень по визначенню часу спрацьовування макетних зразків сповіщувача наведені на рис. 3, причому ТПС №1 відповідає Тп = 89 0С, а ТПС № 6 Тп = 56 °С.

Порівняння оцінок часу спрацьовування теплових пожежних сповіщувачів, одержаних теоретичним і експериментальним шляхами, показує, що ці оцінки співпадають з похибкою, яка не перевищує 6-7 %. З урахуванням цих обставин відкривається шлях до використання методів імітаційного моделювання процесів, що відбуваються в теплових пожежних сповіщувачах на основі ефекту пам'яті форми. Зокрема, на підставі математичних моделей цих процесів, одержаних аналітичним шляхом і адекватність яких обґрунтована експериментально, можна розв'язати задачі з метрологічного забезпечення випробувань сповіщувачів такого типу.

Ці задачі формулюються таким чином:

по заданим значенням похибок, обумовлених видом закону зміни температури навколишнього середовища, а також похибки спрацьовування сповіщувача, знайти похибку визначення часу його спрацьовування (пряма задача);

по заданому значенню похибки визначення часу спрацьовування сповіщувача накласти вимоги на похибки, обумовлені законом зміни температури навколишнього середовища і нестабільністю порогу його спрацьовування (зворотна задача).

Рисунок 2 - Залежність порога спрацьовування МЗ від швидкості зміни температури

Для вирішення цих задач за допомогою методів імітаційного моделювання у середовищі SIAM (версія 4.1), комплексованих з методами теорії планування експерименту, одержані для типових параметрів сповіщувача і законів зміни температури навколишнього середовища відповідні залежності. Так, наприклад, для закону:

,

де q0, k, t0 - параметри, для k = 0,05 0С/с залежність похибки визначення часу сповіщувача Dс від похибок вимірювання параметрів q0 і k, тобто D0 и Dк, а також від похибки, обумовленої нестабільністю порога спрацьовування Dп, має вигляд:

, (10)

а для k = 0,5 0С/с

. (11)

Рисунок 3 - Залежність часу спрацьовування МЗ від швидкості зміни температури

У випадку, коли закон зміни температури має вигляд:

,

де q0, qм, t0 - параметри, залежність Dс = Dс (D0, Dм, Dп) має більш складний характер. На рис. 4 наведено графік цієї залежності для D0 = 5 0С.

Рисунок 4 - Залежність похибки визначення часу спрацьовування сповіщувача від складових похибок

Аналіз одержаних залежностей показує, що для характерних значень параметрів сповіщувача і законів зміни температури при використанні лінійного закону зміни температури навколишнього середовища (з параметрами, які відповідають вимогам стандарту ЕN - 54) для випробувань теплових датчиків первинної інформації, має місце зростання похибки в декілька разів, але вона не перевершує 6 %.

пожежний сповіщувач п'єзоефект тепловий

ВИСНОВКИ

1. Проведені дослідження показали, що серед можливих напрямків удосконалення технічного образа систем пожежної сигналізації одним з основних є напрямок, пов'язаний із поліпшенням технічних характеристик датчиків первинної інформації - пожежних сповіщувачів. Найбільш кращим шляхом удосконалювання технічних характеристик пожежних сповіщувачів є їхня побудова з використанням суперпозиції ефекту пам'яті форми та прямого п'єзоефекту.

2. На основі аналізу фізичних процесів, що протікають в елементах теплового пожежного сповіщувача, виділені найкращі матеріали для побудови чутливого та виконавчого елементів сповіщувача - сплави типу нікеліду титану, b-латунь, алюмінієва бронза та цирконат-титанат свинця відповідно.

3. Математичні моделі пожежних сповіщувачів розглянутого типу отримані у вигляді суперпозиції моделей лінійної та імпульсної частин чутливого і виконавчого елементів сповіщувача, що у першому випадку можуть бути зведені до сукупності моделей аперіодичної ланки першого порядку, імпульсного модулятора з модуляцією по площі імпульсів типу d-функції і фіксатора першого порядку, а в другому випадку - до моделі аперіодичної ланки першого порядку.

4. З використанням математичних моделей елементів теплового пожежного сповіщувача і різноманітних законів зміни температури навколишнього середовища розроблений алгоритм оцінки однієї з основних характеристик сповіщувача - часу його спрацьовування. Стосовно до стандартних осередків, рекомендованих європейським стандартом EN-54 (осередки TF1, TF5, TF6), отримані аналітичні вирази для оцінок часу спрацьовування сповіщувачів у критеріальній формі.

5. Розроблено макетні зразки теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми, а також установка для проведення їхніх експериментальних досліджень, що забезпечує дослідження для стрибкоподібного і лінійного законів зміни температури з різноманітними значеннями їхніх параметрів.

6. Оцінки адекватності математичних моделей теплових пожежних сповіщувачів, отримані експериментально шляхом визначення оцінок величини порога спрацьовування макетних зразків із різноманітними чутливими елементами при лінійному законі зміни температури навколишнього середовища і шляхом визначення оцінок часу спрацьовування макетних зразків із різноманітними чутливими елементами при стрибкоподібному і лінійному законах зміни температури навколишнього середовища, свідчать про збіжність із теоретичними оцінками з похибкою, що не перевищує 7 %.

7. Отримані в ході теоретичних і експериментальних досліджень дані свідчать про можливість побудови датчиків первинної інформації для систем пожежної сигналізації, що не споживають енергії в черговому режимі роботи, є іскробезпечними і мають технічні характеристики, що не поступаються характеристикам кращих світових зразків датчиків.

8. Методами імітаційного моделювання і теорії планування експерименту отримані аналітичні вирази для оцінок похибок часу спрацьовування теплових пожежних сповіщувачів на основі ефекту пам'яті форми в залежності від похибок, що мають місце при випробуванні сповіщувачів для стрибкоподібного і лінійного законів зміни температури навколишнього середовища.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ ОПУБЛІКОВАНІ В НАСТУПНИХ РОБОТАХ

1. Абрамов Ю.А., Переста Ю.Ю. Передаточная функция линейной части чувствительного элемента пожарного извещателя // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр-ов. -Харьков: ХИПБ, 1997. - С. 3-6.

2. Абрамов Ю.А., Переста Ю.Ю. Модель теплового пожарного извещателя и оценка времени его срабатывания // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр-ов. -Харьков: ХИПБ, 1997. - С. 53-57.

3. Абрамов Ю.А., Переста Ю.Ю. Аналитическое описание линейной части чувствительного элемента пожарного извещателя // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр-ов. -Харьков: ХИПБ, 1997. - Вып. 2. -С. 3-6.

4. Корниенко Р.В., Переста Ю.Ю. Состояние с пожарными извещателями в Украине // Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. -Харьков: ХИПБ, 1998. -Вып. 4. - С. 102-105.

5. Абрамов Ю.А., Карлаш С.П., Переста Ю.Ю. Оценка времени срабатывания тепловых пожарных извещателей на основе эффекта памяти формы // Пожаровзрывобезопасность. -1998. -№ 3. - С. 44-53.

6. Переста Ю.Ю. Математическая модель импульсной части чувствительного элемента пожарного извещателя // Проблемы совершенствования пожарной безопасности. -Харьков: ХВУ, 1997. - С. 28-31.

7. Карлаш С.П., Переста Ю.Ю. Модель оптической плотности среды при возникновении загорания в объекте, оборудованном принудительной вентиляцией. -В кн.: Пожарная безопасность: организационно-техническое обеспечение. - Харьков: ХИПБ, 1996. - С. 41-43.

8. Переста Ю.Ю., Абрамов Ю.А., Карлаш С.П. Особенности математического описания пожарных извещателей на основе эффекта памяти формы // Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы. - Ч. 2. -М.: ВНИИПО МВД РФ, 1997. - С. 132-134.

9. Переста Ю.Ю., Абрамов Ю.А. Методология испытаний тепловых пожарных извещателей // Пожежна безпека. - Київ: УкрНДІПБ, 1997. - С. 271-272.

АНОТАЦІЯ

Переста Ю.Ю. Розробка датчиків первинної інформації для систем пожежної сигналізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.03 - пожежна безпека. Харківський інститут пожежної безпеки МВС України, Харків, 1998.

Запропоновано схему побудови датчиків первинної інформації - пожежних сповіщувачів, в основі якої лежить використання ефекту пам'яті форми і прямого п'єзоефекту. Отримано математичні моделі, що описують процеси, що протікають в елементах сповіщувача, що послужили основою для розробки алгоритму оцінки однієї з основних його характеристик - часу спрацьовування. З цією метою використані моделі стандартних осередків загоряння. Для оцінки адекватності моделей сповіщувача розроблені макетні зразки й установка, на якій проведені експериментальні дослідження. Методами імітаційного моделювання і теорії планування експериментів отримані аналітичні вирази, що дозволяють вирішувати задачі по метрологічному забезпеченню випробувань датчиків первинної інформації подібного типу. Приведено рекомендації щодо вибору елементної бази для побудови датчиків.

Ключові слова: пожежний сповіщувач, чутливий елемент, виконавчий елемент, осередок загоряння, поріг спрацьовування, час спрацьовування.

Peresta Y.Y. Development of gauges of a primary information for systems of the fire signaling system. - Manuscript.

Thesis on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a specialty 05.26.03 - flammability control. The Kharkiv institute of flammability control Ministry of Internal Affairs of Ukraine, Kharkiv, 1998.

It is offered the scheme of construction of gauges of a primary information - fire detectors, in which basis the use of effect of memory of the form and direct piezo-effect lies. The mathematical models circumscribing processes which are flowing past in elements of detector are obtained which have formed the basis for development of algorithm of an evaluation by one from main it of performances - response time. With this purpose the models of the standard centers of fire are used. For an evaluation of adequacy of models detector mockup samples are developed and installation on which the experimental researches are conducted. By methods of a simulation modeling and the theories of a design of experiments are obtained analytical expressions permitting to decide a problems on metrological to maintenance of tests of gauges of a primary information of a similar type. The recommendations are indicated at the choice of element basis for construction of gauges.

Key word: the fire detector, sensing element, actuator, center of fire, threshold of operation, response time.

Переста Ю.Ю. Разработка датчиков первичной информации для систем пожарной сигнализации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.03 - пожарная безопасность. Харьковский институт пожарной безопасности МВД Украины, Харьков, 1998.

Диссертация посвящена разработке датчиков первичной информации для систем пожарной сигнализации.

Показано, что одним из перспективных направлений организации противопожарной защиты объектов различного назначения есть автоматизация этого процесса.

Обобщенные данные технических характеристик тепловых пожарных извещателей наиболее распространенных на различных объектах Украины свидетельствуют, что они требуют от 0,2 мА до 300 мА электрического тока в дежурном режиме. Учитывая то, что современные системы могут включать до 103 извещателей, это обстоятельство обусловливает решение задачи по уменьшению энергозатрат такими извещателями, причем другие их технические характеристики не должны существенно отличаться от лучших мировых образцов.

Показано, что наиболее радикальным путем решения задачи есть применение эффекта памяти формы совместно с прямым пьезоэффектом для построения тепловых извещателей максимального типа.

Рассмотрены физические основы и особенности построения чувствительного элемента тепловых пожарных извещателей. Проведен анализ влияния основных факторов на проявление эффекта памяти формы, к числу которых отнесены: деформация и условия ее задания, скорость изменения температуры, предварительный наклеп, напряжения, состав, а также термообработка.

Рассмотрены физические основы и особенности построения исполнительного элемента пожарных извещателей и показано, что наиболее сильными пьезоэлектрическими свойствами обладают пьезокерамические материалы, для которых обобщены данные по их основным характеристикам.

Анализ физических процессов, протекающих в элементах теплового пожарного извещателя, позволил выделить наиболее предпочтительные материалы для построения чувствительного и исполнительного элементов извещателя - сплавы типа никелида титана, b-латунь, алюминиевая бронза и цирконат-титанат свинца соответственно.

Математические модели пожарных извещателей рассматриваемого типа получены в виде суперпозиции моделей линейной и импульсной частей чувствительного и исполнительного элементов извещателя, которые в первом случае могут быть сведены к совокупности моделей апериодического звена первого порядка, импульсного модулятора с модуляцией по площади импульсов типа d-функции и фиксатора первого порядка, а во втором случае - и модели апериодического звена первого порядка.

С использованием математических моделей элементов теплового пожарного извещателя и различных законов изменения температуры окружающей среды разработан алгоритм оценки одной из основных характеристик извещателя - времени его срабатывания. Применительно к стандартным очагам, рекомендованным европейским стандартом EN-54 (очаги TF1, TF5, TF6) получены аналитические выражения для оценок времени срабатывания извещателей в критериальной форме.

Разработаны макетные образцы тепловых пожарных извещателей на основе эффекта памяти формы, а также установка для проведения их экспериментальных исследований, которая обеспечивает исследования для скачкообразного и линейного законов изменения температуры с различными значениями их параметров.

Оценки адекватности математических моделей тепловых пожарных извещателей, полученные экспериментально путем определения оценок величины порога срабатывания макетных образцов с различными чувствительными элементами при линейном законе изменения температуры окружающей среды и путем определения оценок времени срабатывания макетных образцов с различными чувствительными элементами при скачкообразном и линейном законах изменения температуры окружающей среды свидетельствуют о сходимости с теоретическими оценками с погрешностью, не превышающей 7 %.

Полученные в ходе теоретических и экспериментальных исследований данные свидетельствуют о возможности построения датчиков первичной информации для систем пожарной сигнализации, которые не потребляют энергии в дежурном режиме работы, являются искробезопасными и обладают техническими характеристиками, не уступающими характеристикам лучших мировых образцов датчиков.

Методами имитационного моделирования и теории планирования эксперимента получены аналитические выражения для оценок погрешностей времени срабатывания тепловых пожарных извещателей на основе эффекта памяти формы в зависимости от погрешностей, имеющих место при испытании извещателей для скачкообразного и линейного законов изменения температуры окружающей среды.

Ключевые слова: пожарный извещатель, чувствительный элемент, исполнительный элемент, очаг загорания, порог срабатывания, время срабатывания.

Размещено на Allbest.ru