Розробка газового пожежного сповіщувача з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу для виявлення первинної стадії горіння целюлозовмісних матеріалів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Університет цивільного захисту України

УДК 614.84

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Розробка газового пожежного сповіщувача з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу для виявлення первинної стадії горіння целюлозовмісних матеріалів

21.06.02 - пожежна безпека

Пруський Андрій Віталійович

Харків - 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Університеті цивільного захисту України, МНС України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор хімічних наук, професор Калугін Володимир Дмитрович, Університет цивільного захисту України МНС України, професор кафедри спеціальної хімії та хімічної технології.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Алексієв Олег Павлович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет МОН України, завідувач кафедри мехатроніки автотранспортних засобів;

кандидат технічних наук, доцент Левченко Андрій Дмитрович, Академія пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, начальник кафедри пожежної та промислової автоматики.

Захист відбудеться « 28 » січня 2010 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.707.01 в Університеті цивільного захисту України Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Університету цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

Автореферат розісланий « 18 » грудня 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради І.А. Чуб

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Будь-яке загоряння, що виникло в приміщенні, ініціює ряд фізико-хімічних процесів, які викликають радикальну зміну властивостей середовища. Цей факт покладено в основу роботи всіх автоматичних пристроїв виявлення загорянь.

Осередок горіння є джерелом виділення газоподібних продуктів горіння, твердих часток (дим), теплової енергії й електромагнітного випромінювання (від інфрачервоного (ІЧ) до ультрафіолетового (УФ)).

Для спрацьовування пристроїв пожежної сигналізації - пожежних сповіщувачів (ПС) необхідний певний граничний рівень по диму, температурі, інфрачервоному випромінюванню. Досить пізнє виявлення пожеж по виявленню цих ознак пояснюється повільним наростанням рівня контрольованих показників до їхніх граничних значень.

Необхідно відзначити, що фізичні принципи, які покладені в основу роботи теплових, димових і пожежних сповіщувачів полум'я, забезпечують достовірне виявлення осередку загоряння на стадії інтенсивного високотемпературного окислювання або горіння горючого матеріалу з появою відкритого полум'я, що супроводжується сильною зміною фізико - хімічних властивостей газоповітряного середовища в приміщенні. Пожежа на цій стадії вже носить необоротний характер.

З урахуванням вищевикладеного достовірним способом виявлення осередку загоряння й попередження розвитку пожежі є контроль хімічного складу повітря в приміщенні, що різко змінюється через термічне розкладання (піроліз) перегрітих целюлозовмісних матеріалів (ЦМ), що починають жевріти. У цьому випадку необхідно використовувати газові пожежні сповіщувачі (ГПС) - прилади, що сигналізують про гази, що виділяються при тлінні або горінні матеріалів. Вони призначені для виявлення початкової стадії пожежі - тління ЦМ, газоподібні продукти якої не виявляються при використанні існуючих пожежних сповіщувачів (теплових, димових, полум'я).

В Україні питанню розробки і використання ГПС не приділяється належної уваги - майже відсутні наукові публікації й розробки в цій галузі, патенти по даній проблематиці, а також нормативна база.

Використання ГПС вимагає розробки газових сенсорів з високою чутливістю й селективністю на первинні газоподібні продукти піролізу целюлозовмісних матеріалів. При цьому ці газові датчики - чутливі елементи (ЧЕ) ГПС - повинні виготовляти з дешевих і доступних матеріалів.

Таким чином, тема дисертаційної роботи є актуальною й своєчасною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувалися згідно з Державною програмою забезпечення пожежної безпеки в Україні на 2000 - 2010 р.р. (Постанова Кабінету Міністрів України від 01.07.2002 р. №870, п. 1255) у рамках держбюджетної науково - дослідної роботи «Захисні покриття: Теорія, технології, застосування» (№ ДР 0105U007377) на замовлення ДДПБ МНС України.

Мета й завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності раннього виявлення пожежі целюлозовмісних матеріалів за рахунок використання в газових пожежних сповіщувачах напівпровідникових чутливих елементів спіралевидного типу.

У відповідності зі сформульованою метою в дисертації поставлені наступні наукові задачі:

- дослідження процесу газоутворення ранньої стадії виникнення загоряння ЦМ і обґрунтування вибору газу, що аналізується, для ГПС;

- обґрунтування вибору напівпровідникового чутливого елемента спіралевидного типу (НПЧЕ СТ) для ГПС, його хімічного складу й конструкційних параметрів, а також аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають в ньому в процесі його роботи;

- побудова математичної моделі ГПС з НПЧЕ СТ, що адекватно описує процеси, які протікають в ньому, й дозволяє провести вибір максимально ефективного робочого режиму й конструкційних параметрів його функціонування, а також визначення порога спрацьовування й динамічних характеристик ГПС з НПЧЕ СТ;

- розробка рекомендацій по проектуванню ГПС з НПЧЕ СТ: методика виготовлення НПЧЕ СТ, вибір мікропроцесорної частини ГПС й визначення характеристик НПЧЕ СТ, що забезпечують максимальну чутливість і мінімальну інерційність спрацьовування ГПС з НПЧЕ СТ;

- оцінка ефективності ГПС з НПЧЕ СТ у порівнянні з димовими й тепловими пожежними сповіщувачами за часом спрацьовування;

- розробка методики випробувань основних технічних характеристик ГПС (чутливість та інерційність спрацьовування) та рекомендацій по використанню ГПС з НПЧЕ СТ.

Об'єкт дослідження - газовий пожежний сповіщувач з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу.

Предмет дослідження - процеси, які відбуваються в газовому пожежному сповіщувачі з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу (ГПС з НПЧЕ СТ), його технічні й динамічні характеристики.

Методи дослідження - методи математичної фізики, хімічної термодинаміки й тепломасопереносу, газового аналізу; метод математичної обробки результатів і планування експерименту; метод ідентифікації динамічної моделі пожежних сповіщувачів.

Наукова новизна отриманих результатів.

- вперше проведений аналіз фізико-хімічних процесів, що протікають в НПЧЕ СТ ГПС в процесі його роботи;

- вперше побудована математична модель ГПС з НПЧЕ СТ, що адекватно описує процеси, які протікають в ньому, й дозволяє провести вибір максимально ефективного робочого режиму й конструкційних параметрів його функціонування;

- вперше отримані динамічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ, що дозволяють оцінити технічні характеристики останнього без проведення додаткових експериментальних досліджень;

- вперше розроблений чотирьохкомпонентний напівпровідниковий чутливий елемент спіралевидного типу для газового пожежного сповіщувача без використання в якості каталізаторів адсорбції молекул газу в чутливій масі (ЧМ) благородних металів, що забезпечує найкращі технічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ у порівнянні з існуючими аналогами, а саме: чутливість - 1 ppm, інерційність спрацьовування - 0,6 с;

- вперше розроблена математична модель зміни концентрації СО у повітрі при термічному розкладанні целюлозовмісних матеріалів і проведені порівняльні модельні розрахунки порогів спрацьовування точкових теплових (ТТ) і точкових димових оптичних (ТДО) пожежних сповіщувачів максимального типу (МТ) з ГПС з НПЧЕ СТ, що дозволило показати високу ефективність та незаперечну перевагу ГПС з НПЧЕ СТ у порівнянні із ТДОПСМТ і ТТПСМТ за часом спрацьовування - часом виявлення початкової стадії зародження осередку загоряння ЦМ.

Практичне значення отриманих результатів.

На підставі виконаних експериментально-теоретичних досліджень розроблений газовий пожежний сповіщувач з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу. Його застосування дозволяє підвищити ефективність раннього виявлення загоряння ЦМ у порівнянні з наявними зразками ПС.

Результати досліджень застосовані: при спільних випробуваннях Університету цивільного захисту України (УЦЗ України) і ТОВ «Науково - виробничого підприємства «Газтехніка» зразків НПЧЕ СТ і макетного зразка ГПС з НПЧЕ СТ; у навчальному процесі УЦЗ України при вивченні дисципліни «Хімія» - розроблена нова лабораторна робота «Індикація пожежовибухонебезпечних газів та парів легкозаймистих та горючих органічних рідин».

Особистий внесок здобувача. Дисертація є результатом самостійної роботи автора. У публікаціях, що написані в співавторстві, авторові належать: в [1] аналіз стану проблеми виявлення початкової стадії процесу горіння за допомогою різних типів пожежних сповіщувачів; в [2] запропоновано досліджувати технічні характеристики ГПС на монооксид вуглецю; в [3] обґрунтування вибору хімічного складу НПЧЕ СТ ГПС; в [4,5] дослідження зміни питомого аналітичного сигналу напівпровідникових датчиків (НПД) різної конструкції; в [6,7,8] систематизація хімічних реакцій взаємодії компонент чутливої маси НПД у середовищах газів і пар органічних речовин різної донорно - акцепторної природи; в [9] розробка математичних моделей ГПС з НПЧЕ СТ; в [10,11] дослідження технічних характеристик ГПС з НПЧЕ СТ й можливості його використання для попередження надзвичайних ситуацій.

Апробація результатів дисертації. Основні результати досліджень доповідались на: постійно діючих науково-технічних семінарах УЦЗ України (2004-2007 р.р.); науково-практичній конференції «Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту» (Черкаси, 2005 р.); ІІІ Міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Мінськ, 2005 р.); міжнародній конференції «2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals. Advance in Nano-Physics and Nano-Technology» (Алушта, 2005 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Пожежна та техногенна безпека» (Черкаси, 2005 р.); другій науковій конференції Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба (Харків, 2006 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Проблеми та перспективи розвитку забезпечення безпеки життєдіяльності» (Львів, 2006 р.); X Ювілейній науково-практичній конференції «Запобігти, врятувати, допомогти» (Харків, 2006 р.); науково-практичній конференції «Захист населення і території в надзвичайних ситуаціях» (Харків, 2006 р.); другій міжнародній науково-практичній конференції «Пожарная и аварийная безопасность объектов» (Іваново, 2006 р.); IV міжнародній науково-практичній конференції «Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация» (Мінськ, 2007 р.); міжнародній конференції «Modern Physical Chemistry For Advanced Materials» (Харків, 2007 р.); науково-технічній конференції «Актуальні проблеми наглядово-профілактичної діяльності МНС України» (Харків, 2007 р.); міжнародній науковій конференції «Физико-химические основы формирования и модификации микро-и наноструктур» (Харків, 2008 р.).

Публікації. Основні наукові положення дисертації опубліковані в 11 статтях у спеціалізованих виданнях, що включені в перелік ВАК України, та 13 тезах доповідей і матеріалів науково-технічних конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг дисертації становить 157 стор., включає 35 рис., 17 табл. та 3 додатки на 26 сторінках, список використаних джерел містить 81 найменування.

Основний зміст роботи

В першому розділі проаналізовано статистичні дані про пожежі в Україні за останні 9 років, особливості організації протипожежного захисту об'єктів, процес початкової стадії загоряння целюлозовмісних матеріалів, а також тенденції розвитку датчиків первинної інформації систем пожежної сигналізації.

В середньому в країні в період з 2000 по 2008 роки щорічно відбувалось близько 55 тис. пожеж, на яких гинуло близько 3,8 тис. чоловік і одержували травми - 1,8 тис. чоловік, а прямий матеріальний збиток від пожеж становив в середньому близько 105 млн. грн. При цьому в середньому 70-80 % від загальної кількості пожеж і загорянь в країні приходилось на житловий сектор, а матеріальний збиток при цьому становив (50-60) % від загального й постійно зростав. Більше 90 % загиблих від пожеж також приходилось на житловий сектор. Основою питомого горючого навантаження (~50 % по масі) для таких споруджень є дерев'яні (целюлозовмісні) вироби різного призначення.

Виникнення загоряння твердих горючих матеріалів (ТГМ) проходить наступні основні стадії: тління (термічне розкладання) з виділенням газоподібних продуктів; поява видимого диму; підвищення середньоб'ємної температури в приміщенні; поява полум'я. Ці стадії найбільш характерні для целюлозовмісних матеріалів.

Для спрацьовування сучасних пристроїв пожежної сигналізації необхідний певний граничний рівень по диму, температурі, інфрачервоному випромінюванню, які генеруються зі значною часовою затримкою. Це свідчить про істотні проблеми в цьому питанні з точки зору ефективності застосування традиційних типів пожежних сповіщувачів. З урахуванням вищевикладеного в роботі запропоновано більш надійний і достовірний спосіб виявлення пожежі на ранній стадії, що передує стадії розвитку осередка пожежі з наступним виділенням диму й тепла, - на основі контролю хімічного складу газоповітряного середовища, що різко змінюється через термічне розкладання (піроліз) перегрітих целюлозовмісних матеріалів.

В перелік основних газоподібних продуктів стадії тління для всіх ЦМ входять - СО, СО₂, Н₂, СН₄. На початковій стадії пожежі, в процесі тління, концентрація монооксиду вуглецю (СО) досягає (20-80) ppm, що перевищує його фоновий зміст в повітрі при нормальних умовах ((0,8-7,2)·10-⁶ % об. ? (0,8-7,2)·10^-2 ppm) - в сотні, тисячі разів. В подальшому, на фоні зростання вмісту ароматичних вуглеводнів, відбувається зростання вмісту водню до (10-20) ppm, що перевищує його фоновий вміст в повітрі при нормальних умовах (~0,5·10-⁴ % об. ? 0,5 ppm) в (20-40) разів. При появі полум'яного горіння значно зростає концентрація вуглекислого газу (СО₂) - до 1000 ppm (в 3 рази перевищує його фоновий вміст в повітрі) й одночасно різко зменшується концентрація СО.

Газоподібний продукт першої фази пожежі (тління ЦМ) - монооксид вуглецю (СО) має найбільшу зону поширення по приміщенню й з'являється набагато раніше факторів другої фази пожежі (інтенсивного високотемпературного окислювання й полум'яного горіння) - диму й підвищеної температури.

Таким чином, необхідний й актуальний розвиток наукових досліджень і технічного конструювання у галузі пожежних сповіщувачів - розробка газових пожежних сповіщувачів з чутливими елементами на газоподібні продукти піролізу целюлозовмісних матеріалів, які виділяються на початковій стадії їхнього загоряння, насамперед на СО.

За результатами аналізу літератури сформульований ряд задач, розв'язання яких необхідне для досягнення мети дисертаційної роботи.

В другому розділі проведений вибір і дослідження чутливого елемента для газового пожежного сповіщувача.

На стадії піролізу ЦМ, коли термічно розкладається невелика кількість горючої речовини, піролітичних газів (СО, СО₂, Н₂, вуглеводнів (С_хН_у) і т.ін.) в приміщенні мало. Тому, при використанні ГПС для раннього виявлення пожежі газові датчики повинні мати низький поріг спрацьовування (високу чутливість).

З табл. 1 видно, що саме напівпровідникові датчики найбільше відповідають умові мінімального порога спрацьовування на такі продукти піролізу, як монооксид вуглецю, метан, пропан, водень, а тому максимально ефективні для використання як чутливі елементи в ГПС.

Таблиця 1. Пороги спрацьовування (концентраційні діапазони) використання газових сенсорів

Сенсори	Концентрація компонента, що виявляється, % об.
	0,00001	0,0001	0,001	0,01	0,1	1	10	100
Сенсори на СН4, С3Н8, Н2, пари спиртів	Напівпровідникові
				Термокаталітичні
					Термокондуктометричні
Сенсори на СО, Н2S, Сl2	Напівпровідникові	Термокаталітичні
	Електрохімічні (з попереднім концентруванням)
				Оптичні, ІЧ-спектру

При цьому, напівпровідникові чутливі елементи можуть мати різне конструкційне виконання, що, в свою чергу, впливає на технічні характеристики таких датчиків.

В роботі розроблений НПЧЕ СТ в якості ЧЕ для ГПС. Він створений на базі доступних і дешевих матеріалів (Sn_хО_у, In₂O₃, Al₂O₃), які забезпечують його найкращими технічними характеристиками при виявленні СО, і без використання благородних металів (Pt, Ru, Au і т.ін.) в якості каталізаторів адсорбції молекул газів, на відміну від аналогічних конструкцій закордонних фірм.

Про переваги й перспективи використання НПЧЕ СТ свідчать результати попередніх експериментальних досліджень чутливості НПД різного конструкційного виконання. Чутливість структури НПД до адсорбції газоподібних продуктів піролізу ЦМ, пожежовибухонебезпечних газів, пар органічних і токсичних речовин оцінюється параметром U_c/S_че (U_c - аналітичний сигнал; S_че - площа чутливого елемента).

Встановлено, що найкращу чутливість має датчик «Спіралевидний», оскільки для цієї конструкції величина (U_c/S_че) перевищує подібну для «Бусинки» практично в 10 разів, а для «Плоского» датчика майже в 20 разів. Це можна пояснити утворенням в НПЧЕ СТ активних поверхово - об'ємних структур (центрів) адсорбції молекул СО.

На основі аналізу патентної документації й експериментальних досліджень визначено співвідношенні оксидів ЧМ НПЧЕ СТ для аналізу СО: Sn₂O₃ - (70-75) % (мас.); In₂O₃ - до 3 % (мас.); Аl₂O₃ - (20-25) % (мас.), а також проведено обґрунтування вибору робочих параметрів НПЧЕ СТ для ГПС.

Необхідно відзначити, що чутливість НПЧЕ СТ безпосередньо пов'язана з підвищеним зношуванням маси чутливого матеріалу. Було встановлено, що в процесі багаторазового використання НПД, одночасно із процесами адсорбції - десорбції, протікають необоротні процеси фізико - хімічного руйнування чутливої маси датчика, механізми яких вивчені здобувачем.

Для зниження впливу або повного виключення процесів руйнування ЧМ у дисертаційній роботі запропоновано використовувати в технології виробництва НПЧЕ СТ найтонші шари оксиду титану - компонента, що виконує функцію протикорозійно - хімічного захисту чутливого елемента. В результаті експлуатаційний ресурс НПЧЕ СТ збільшується в кілька разів (в 2,5 рази в середовищі відновника; в 1,4 рази в середовищі окисника).

На основі цих досліджень здобувачем обґрунтовано теоретично й експериментально підтверджене припущення про можливості протікання корозійно - хімічних реакцій на поверхні й в об'ємі НПЧЕ СТ в атмосфері відновлювальних і окислювальних компонентів.

Ці дослідження дозволили обґрунтувати можливість та доцільність використання НПЧЕ СТ в якості ЧЕ ГПС системи пожежної сигналізації для раннього виявлення пожежі на стадії термічної деструкції ЦМ.

В третьому розділі наведені результати з розробки газового пожежного сповіщувача з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу, розроблена математична модель його роботи, визначені максимально ефективний режим і конструкційні параметри функціонування ГПС з НПЧЕ СТ, а також деякі його технічні й динамічні характеристики.

Проведені дослідження дозволили створити газовий пожежний сповіщувач з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу.

Для забезпечення заданого режиму роботи ГПС з НПЧЕ СТ використовувався мікроконтролер Atmega8 фірми Atmel. За його допомогою виконується зчитування даних із ЧЕ, після чого проводиться розрахунок концентрації СО, враховується калібровочна функція сенсора для стандартних умов. Після обробки отриманих даних у випадку відповідності його закладеним значенням аналізованого газового компонента (СО) видається сигнал «Пожежа».

При створенні датчиків первинної інформації актуальною і своєчасною є розробка математичних моделей їх роботи, що дозволяють мінімізувати проведення експериментальних досліджень і провести вибір максимально ефективного робочого режиму й конструкційних параметрів їх функціонування.

При розробці моделі ГПС з НПЧЕ СТ автор використовував метод планування експерименту та розглядав три незалежні фактори, що мають вплив на його характеристики: концентрація оксиду титану (TiО₂) в ЧМ НПЧЕ СТ, довжина спіралі нагрівача НПЧЕ СТ (число витків), струм нагрівача НПЧЕ СТ.

Попередні експериментальні дослідження показали, що при концентрації TiО₂ в ЧМ НПЧЕ СТ менше 3 % (мас.) аналітичний сигнал останнього знижується. При концентрації більше 3 % (мас.) аналітичний сигнал зростає, однак вже при концентрації більше 7 % (мас.) його зростання дуже незначне. Таким чином, діапазон концентрації приймається (3-7) % (мас.). Аналогічна ситуація спостерігається для кількості витків нагрівача (N). Тому діапазон дослідження кількості витків складає (5-10) витків. При цьому струм нагрівача датчика знаходиться в діапазоні (30_50) мА.

Оскільки досліджувався вплив трьох факторів, то був поставлений експеримент типу 2³. В роботі використовували ротатабельні плани другого порядку, тому що вони, на відміну від ортогональних, дозволяють передбачити значення функції відгуку з дисперсією, яка однакова на рівних відстанях від центра плану. Для цього додатково проводили експерименти в центрі плану (на нульовому рівні) і на відстані d=1.682 від центру.

Після проведення розрахунків коефіцієнтів регресії, перевірки їх значимості за критерієм Ст'юдента, були одержані остаточні вирази моделей для аналітичного сигналу насичення (1) і часу насичення (2) ГПС з НПЧЕ СТ від струму (x₁), кількості витків нагрівача (x₂) й концентрації оксиду титану (x₃).

(1)

(2)

За критерієм Кохрена показано, що процеси відтворюються, а за критерієм Фішера - що моделі адекватні.

Розроблені математичні моделі дозволили визначити максимально ефективний режим й конструкційні параметри функціонування ГПС з НПЧЕ СТ: струм нагрівача - 41.5 мА, число витків нагрівача - 7.5, концентрація оксиду титану в ЧМ НПЧЕ СТ - 4 % (мас.).

При цьому, для забезпечення максимально ефективної роботи ГПС з НПЧЕ СТ в автоматизованих системах пожежної сигналізації необхідно чітко знати закони зміни концентрації аналізованих газових компонентів в часі - С_СО(t). целюлозовмісний пожежний сповіщувач напівпровідниковий

Аналіз нормативно-технічної й наукової літератури показав, що досліджень по визначенню таких закономірностей для СО немає. В зв'язку з цим здобувачем були поставлені й проведені експериментальні дослідження з виявлення такої закономірності (С_СО(t)).

Для проведення експериментальних досліджень була розроблена герметична газова камера розмірами 1*1*1 м (об'ємом 1 м³) з органічного скла зі з'ємною верхньою робочою панеллю.

Аналіз отриманих даних дозволяє судити про характер залежності концентрації СО від часу - С_СО(t). В загальному вигляді її можна записати у вигляді:

 (3)

де: k - константа швидкості виділення СО при термічному розкладанні ЦМ; t - час (c); n - показник ступеня.

Після застосування методу найменших квадратів, проведення лінеаризації й перетворення виразу (3), підставлення чисельних значень експериментальних даних, отримано вираз зміни концентрації СО в газоповітряному середовищу при термічному розкладанні ЦМ:

(4)

При використанні отриманих значень робочих характеристик і конструкційних параметрів ГПС з НПЧЕ СТ на базі експериментальних досліджень проведені обґрунтування й вибір чутливості останнього.

При термічному розкладанні деревини в діапазоні температур (100-110) єС виділяються пари води, які змішуються з газоподібними продуктами піролізу деревини й мають підвищену температуру. Тому в роботі проведені експерименти по визначенню чутливості ГПС з НПЧЕ СТ до температури газоповітряного середовища й до пар хімічно незв'язаної води. На основі цих експериментів рівень корисного сигналу ГПС з НПЧЕ СТ прийнятий не менш 5 мВ.

За допомогою вимірювальної установки (рис. 5) були проведені дослідження процесу піролізу в конкретному діапазоні температур. Для виконання динамічних досліджень вивід всіх контрольованих параметрів (вимір U_c(мВ), ф(с), t(єС) і [CO]) проводився на ЕОМ.

Із графіка видно, що ГПС з НПЧЕ СТ спрацьовує на концентрацію СО=1 ppm (точка 1), коли величина корисного сигналу становить 5 мВ. Тому чутливість ГПС з НПЧЕ СТ становить 1 ppm по СО, що відповідає значенню аналітичного сигналу 5 мВ.

На основі цих даних в роботі отримана загальна залежність зміни аналітичного сигналу - U_c ГПС з НПЧЕ СТ від концентрації СО:

(5)

де U_c - величина аналітичного сигналу ГПС з НПЧЕ СТ (мВ); k - коефіцієнт (k=k(T)); C_CO - концентрація СО (ppm); n - порядок хімічної реакції по СО.

Поряд із цим в роботі розглянуті динамічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ: передаточна функція (W(p)) і одинична перехідна функція (h(t)), які отримані на базі експериментальних досліджень технічних характеристик (ТХ) останнього.

При розробці методів випробувань ГПС й пристроїв для їхньої реалізації найбільше доцільно мати в якості математичних моделей таку універсальну динамічну характеристику, як передаточна функція (ПФ). В силу того, що ГПС являє собою систему з розподіленими параметрами, його ПФ є ірраціональною функцією комплексної змінної p. Така форма подання ПФ може викликати додаткові труднощі при визначенні динамічних характеристик ГПС, внаслідок чого доцільно перейти до динамічної моделі НПЧЕ СТ у вигляді ПФ деякої еквівалентної динамічної системи із зосередженими параметрами. Конкретні способи визначення (знаходження) ПФ еквівалентної динамічної системи відрізняються видом випробувального впливу й алгоритмом обробки вихідного сигналу (реакції системи).

ПФ НПЧЕ СТ має наступний вигляд:

(6)

де a_i - параметри, які необхідно ідентифікувати.

ПФ (6) відповідає диференційне рівняння:

(7)

де D=d/dt - оператор диференціювання (a₀=1); ?r(t) - вихідний сигнал НПЧЕ СТ; 1(t) - одиничний ступінчатий сигнал.

Ділення рівняння (7) на g та інтегрування на інтервалі [0,?] дає:

(8)

де

h(t)=?r(t)/g

З (8) отримано, що для режиму, що встановився, має місце співвідношення:

(9)

Якщо рівняння (7) поділити на g, проінтегрувати на інтервалі [0,t] та поділити на параметр a₁, отримаємо:

(10)

Це рівняння можна розглянути, як диференційне рівняння (n-1)-го порядку, а в якості вхідного сигналу використовувати:

(11)

де:

,

Проінтегрувавши рівняння (10) на інтервалі [0,?], отримаємо:

(12)

Звідки:

(13)

Аналогічним шляхом, в загальному вигляді отримаємо:

(14)

де:

(15)

(16)

Вирази (14), (15) з урахуванням (16) являють собою алгоритм визначення параметрів диференційного рівняння (7), а, відповідно, й ПФ (6) еквівалентної динамічної системи.

Користуючись викладеною в роботі методикою, була визначена передаточна функція ГПС з НПЧЕ СТ:

(17)

Тоді одинична перехідна функція ГПС з НПЧЕ СТ буде мати вигляд:

(18)

Графічне представлення експериментальних даних зміни аналітичного сигналу ГПС з НПЧЕ СТ у часі при концентрації СО=1 ppm - h_е(t), а також розрахункових даних по моделі (18) - h(t).

В четвертому розділі розроблені рекомендації по проектуванню ГПС з НПЧЕ СТ. Проведено оцінку технічних характеристик ГПС з НПЧЕ СТ із закордонними аналогами, оцінку його ефективності в порівнянні з димовими й тепловими пожежними сповіщувачами за часом спрацьовування. Розроблені методика випробувань основних технічних характеристик (чутливість та інерційність спрацьовування) ГПС й рекомендації з використання ГПС з НПЧЕ СТ на СО.

Проведені в комплексі теоретичні та експериментальні дослідження дозволили автору розробити рекомендації по проектуванню ГПС з НПЧЕ СТ: методику виготовлення НПЧЕ СТ, обґрунтування вибору мікропроцесорної частини ГПС з НПЧЕ СТ й визначення характеристик НПЧЕ СТ, що забезпечують найкращі технічні характеристики (максимальну чутливість і мінімальну інерційність спрацьовування) ГПС з НПЧЕ СТ.

Аналіз технічних характеристик дозволяє вибрати й порівняти різні типи ПС, якісно виконати проектні роботи й провести експертизу проекту системи пожежної сигналізації.

В роботі проведений порівняльний аналіз технічних характеристик ГПС з НПЧЕ СТ та ГПС найкращих закордонних виробників (Росія), оскільки в Україні подібних розробок немає. Необхідно відзначити, що для підвищення чутливості в конструкціях чутливих елементів російських ГПС з НПЧЕ використовуються благородні метали в якості каталізаторів адсорбції молекул газів (табл. 2).

Таблиця 2. Основні технічні характеристики ГПС різних виробників та ГПС з НПЧЕ СТ

№	Найменування	ГПС «СГС-99» (ЗАТ «МХК Лаверна-нефтегазстрой», м. Москва)	ПС 101/435-1-А1/2 «Эксперт» («Этра-Спецавтоматика»,м. Новосибирськ)	ГПС з НПЧЕ СТ (здобувач)
1.	Чутливість (поріг спрацювання), ppm	10…240	41-80	1
2.	Інерційність спрацювання, с	< 3	> 2	0,6
3.	Напруга живлення, В	5	12	5
4.	Споживчий струм: а) в черговому режимі, мА; б) в режимі «Тривога», мА.	< 200 < 200	60 60	41,5 41,5
5.	Габаритні розміри, мм: а) висота; б) діаметр.	? 50 ? 110	55 105	45 100
6.	Маса, гр.	? 150	300	150
7.	Температурний робочий діапазон, 0С	-40...+50	-10...+70	-40...+55
8.	Допустима відносна вологість при +25 0С, %	98	98	98
9.	Використання благородних металів в чутливій масі	Pt, Au	Pt	___

Виходячи з даних табл. 2, ГПС з НПЧЕ СТ має кращі показники по чутливості, інерційності спрацьовування й споживаному струму.

В роботі проведені порівняльні модельні розрахунки порогів спрацьовування ТТПСМТ і ТДОПСМТ з ГПС з НПЧЕ СТ. В основу цих розрахунків покладене твердження про те, що кількість теплоти (), маса газоподібних часток піролізу () і маса часток диму (), що утворюються при горінні або під час піролізу горючого матеріалу, зв'язані між собою:

(19)

де - маса матеріалу, що піддається піролізу (кг); - нижня теплота згоряння матеріалу (Дж/кг); - константа газоутворення горючого матеріалу; - масовий коефіцієнт димоутворення матеріалу.

Основою подальших оцінок є гіпотеза про те, що в більшості точок приміщення виконується співвідношення, подібне до формули (19), а саме, існує подоба полів надлишкової температури газового середовища (K), надлишкової концентрації і-ой компоненти (кг/м³) і щільності диму (кг/м³):

(20)

(21)

де - питома об'ємна теплоємність середовища (Дж/(К*м³)); ?T=( T_cтпс-Т₀); Т_стпс - температура спрацьовування ТТПСМТ (єС), наприклад: SDT2100 (Siemens AG, Австрія) = 53±3 єС; Т₀ - початкова температура навколишнього середовища = 20 єС; m^* - питома оптична щільність середовища (дБ/м); D_m - коефіцієнт димоутворення горючого матеріалу (Неп*м²/кг).

На основі отриманих моделей (20) і (21), закону зміни концентрації СО в часі (4), динамічних характеристик ГПС з НПЧЕ СТ (17) і (18), а також експериментальних даних проведений аналіз ефективності ГПС з НПЧЕ СТ у порівнянні з існуючими ПС. Результати даного аналізу представлені на рис. 9, який містить графічні залежності зміни концентрації СО в часі, зміни оптичної щільності диму в часі і зміни температури в приміщенні при зародженні пожежі в часі. Ці залежності дозволяють чітко визначити час спрацьовування різних типів ПС.

Видно, що ГПС з НПЧЕ СТ на концентрацію СО=1 ppm, що утвориться за розрахунками через 87,2 с, спрацює через 87,8 с від початку процесу. При цьому ТДОПСМТ, наприклад, СПД-3, СПД-3.2 (НП «Артон», м. Чернівці, Україна, де m^*=0,05-0,2 дБ/м) спрацює через 112,5 с, а ТТПСМТ, наприклад, SDT2100 (Siemens AG, Австрія), де Т_стпс= 50-20=30 ⁰С, спрацює через 149,8 с.

На основі отриманих залежностей розрахована інерційність ГПС з НПЧЕ СТ:

(22)

Тому:

За даними експериментально-теоретичних розрахунків ефективність за часом спрацьовування ГПС з НПЧЕ СТ у 1,28 раз краща за ДПС й у 1,71 раз - за ТПС.

Висновки

В роботі одержані нові науково обґрунтовані результати, які в сукупності забезпечили розв'язання науково-практичної задачі по підвищенню ефективності раннього виявлення пожежі целюлозовмісних матеріалів за рахунок використання в газових пожежних сповіщувачах напівпровідникових чутливих елементів спіралевидного типу.

1. Встановлено необхідність проведення досліджень по створенню нового покоління пожежних сповіщувачів, здатних реагувати на газоподібні продукти термічної деструкції целюлозовмісних матеріалів, з метою підвищення ефективності систем раннього виявлення загоряння. Найбільш ефективно в якості чутливого елементу газового пожежного сповіщувача використовувати напівпровідниковий чутливий елемент спіралевидного типу.

2. Обґрунтовано теоретично й експериментально встановлено представлення про можливість протікання корозійно - хімічних реакцій на поверхні й в об'ємі НПЧЕ СТ в атмосфері відновлювальних і окислювальних компонент. На основі результатів проведених досліджень доповнена технологія виробництва НПЧЕ СТ: при формуванні ЧМ на спіралі з ніхрому необхідно наносити термолітично найтонші шари TiО₂, які істотно підвищують хімічну стійкість ЧМ НПЧЕ СТ незалежно від природи аналізованих газових середовищ. Проведено обґрунтування вибору хімічного складу й конструкційних параметрів НПЧЕ СТ.

3. Методом планування експерименту розроблені математичні моделі роботи ГПС з НПЧЕ СТ, які дозволили визначити максимально ефективний режим і конструкційні параметри його функціонування: струм нагрівача - 41.5 мА, число витків нагрівача - 7.5, концентрація оксиду титана в чутливій масі датчика - 4 % (мас.).

4. Отримано експериментальні залежності величини аналітичного сигналу ГПС з НПЧЕ СТ від концентрації СО в часі, а також динамічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ (передаточна функція й одинична перехідна функція), що дозволяють оцінити значення технічних характеристик останнього в будь-який момент часу без проведення додаткових експериментальних досліджень.

5. Розроблено рекомендації по проектуванню ГПС з НПЧЕ СТ. Визначено характеристики НПЧЕ СТ, що забезпечують максимальну чутливість по величині аналітичного сигналу й мінімальну інерційність ГПС з НПЧЕ СТ до СО.

6. Розроблений ГПС з НПЧЕ СТ, що на відміну від закордонних аналогів, не містить в якості каталізаторів адсорбції в чутливій масі благородних металів, має більш високі технічні характеристики в порівнянні з існуючими ГПС (чутливість - 1 ppm, інерційність спрацьовування - 0,6 с). Встановлено незаперечну перевагу ГПС з НПЧЕ СТ у порівнянні із ТТПСМТ і ТДОПСМТ за часом виявлення початкової стадії зародження осередку загоряння ЦМ. За даними експериментально-теоретичних розрахунків ефективність за часом спрацьовування ГПС з НПЧЕ СТ у 1,28 раз краща за ДПС й у 1,71 раз - за ТПС.

7. Розроблено методику випробувань основних технічних характеристик (чутливість і інерційність спрацьовування) газових пожежних сповіщувачів.

8. На основі аналізу результатів досліджень по впливу різних газових середовищ на технічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ, а також з урахуванням аналізу кінетичних особливостей розвитку загоряння целюлозовмісних матеріалів, розроблені рекомендації з використання ГПС з НПЧЕ СТ.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Прусский А.В. Анализ состояния проблемы выявления начальной стадии процесса горения (тления) горючих материалов с помощью пожарных извещателей / Прусский А.В., Калугин В.Д., Войтов А.Ю. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: УГЗУ, 2007. - Вып. 21. - С. 208 - 217.

2. Пруський А.В. Газові пожежні сповіщувачі на базі напівпровідникових сенсорів. Питання хибних спрацювань / Пруський А.В., Калугін В.Д. // Проблеми надзвичайних ситуацій. - Харків: УЦЗУ, 2006. - Вип. 4. - С. 190 - 197.

3. Пруський А.В. Електрохімічні та термодинамічні основи формування наноплівкових напівпровідникових сенсорів для газових пожежних сповіщувачів / Пруський А.В., Калугін В.Д., Тарахно О.В. // Науковий вісник Чернівецького університету. Хімія. - Чернівці, 2008. - Вип. 401. - С. 126-128.

4. Пруський А.В. Модель напівпровідникового фрактального чутливого елемента датчика газосигналізатора пожежовибухонебезпечних газів та парів токсичних органічних речовин / Пруський А.В., Кальний С.Е., Калугін В.Д. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 18. - С. 128 - 132.

5. Пруський А.В. Електрофізичні характеристики напівпровідникових давачів різної конструкції газосигналізаторів пожежовибухонебезпечних газів та парів органічних рідин / Пруський А.В., Калугін В.Д. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2005. - Вып. 17. - С. 163 - 169.

6. Прусский А.В. Систематизация и термодинамическое обоснование возможности протекания коррозионно - химических процессов в массе чувствительных элементов полупроводниковых датчиков газосигнализаторов пожаровзрывоопасных газов и паров органических жидкостей / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Зб. наук. праць Харк. ун - ту Повітряних Сил. - Х.: ХУПС, 2006. - Вип. 3(9). - С. 170 - 175.

7. Пруський А.В. Термодинамічні дослідження щодо використання напівпровідникових (на основі SnO₂) давачів газосигналізаторів на деякі пожежовибухонебезпечні гази, пари легкозаймистих та горючих органічних рідин і токсичні речовини / Пруський А.В., Калугін В.Д., Войтов О.Ю. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: АГЗУ, 2006. - Вып. 19. - С. 117 - 126.

8. Пруський А.В. Термодинамічне обґрунтування можливості використання напівпровідникових (на основі SnO₂) датчиків як чутливих елементів газових пожежних сповіщувачів на продукти піролізу горючих матеріалів / Пруський А.В., Калугін В.Д. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: УГЗУ, 2006. - Вып. 20. - С. 151 - 157.

9. Прусский А.В. Оптимизация технических характеристик газового пожарного извещателя с полупроводниковым чувствительным элементом спиралевидного типа / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: УГЗУ, 2008. - Вып. 24. - С. 131 - 139.

10. Прусский А.В. Предупреждение чрезвычайных ситуаций путем фиксирования концентраций газообразных продуктов пиролиза целлюлозосодержащих материалов газовыми пожарными извещателями с полупроводниковыми чувствительными элементами спиралевидного типа / Прусский А.В., Калугин В.Д., Войтов А.Ю. // Проблеми надзвичайних ситуацій. - Харків: УЦЗУ, 2007. - Вип. 5 - С. 166 - 176.

11. Прусский А.В. Исследование технических характеристик газового пожарного извещателя с полупроводниковым чувствительным элементом спиралевидного типа для обнаружения газообразных продуктов пиролиза целлюлозосодержащих материалов / Прусский А.В., Калугин В.Д., Шаршанов А.Я., Войтов А.Ю. // Системи обробки інформації. - Х.: ХУПС, 2007. - Вип. 7(65). - С. 123 - 128.

12. Пруський А.В. Перспективи використання напівпровідникових газових сенсорів на базі сумішей оксидів олова та індію / Пруський А.В., Калугін В.Д., Тарахно О.В. // Природничі науки та їх застосування в діяльності служби цивільного захисту: наук.-практ. конф., 28 квітня 2005 р.: тези доп. - Черкаси, 2005. - С. 21.

13. Прусский А.В. Использование полупроводниковых сенсоров пожаровзрывоопасных газов и паров органических веществ в системах мониторинга объектов и территорий / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: ІІІ междунар. науч.-практ. конф., 7-9 июня 2005 г.: тезисы докл. - Минск, 2005. т. 1. - С. 154 - 156.

14. Kalnoy S.E. Increase of Sensitivity of Structure of Semiconductors to Absorption of Fire and Explosion Hazardous Gases and Vapours of Toxic Organic Substances / Kalnoy S.E., Prusskiy A.V., Kalugin V.D. // 2^nd International Conference on Physics of Laser Crystals. Special Session Advance in Nano-Physics and Nano-Technology: міжнар. конф., 25-30 вересня 2005 р.: тези доп. - Харків, 2005. - С. 26.

15. Калугин В.Д. Повышение коррозионно-химической стойкости чувствительной массы полупроводниковых датчиков газосигнализаторов и индикаторов на пожаровзрывоопасные газы и пары органических жидкостей / Калугин В.Д., Прусский А.В., Красношлык А.В. // Пожежна та техногенна безпека: міжнар. наук. - практ. конф., 1-2 грудня 2005 р.: тези доп. - Черкаси, 2005. - С. 263 - 266.

16. Прусский А.В. Систематизация и термодинамическое обоснование возможности протекания коррозионно - химических процессов в массе чувствительных элементов полупроводниковых датчиков газосигнализаторов пожаровзрывоопасных газов и паров органических жидкостей / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Друга наук. конф. Харківського університету Повітряних Сил імені Івана Кожедуба, 15-16 лютого 2006 р.: тези доп. - Харків, 2006. - С. 114 - 115.

17. Красношлик А.В. Аналіз методів виявлення та визначення складу газів та парів неорганічних і органічних речовин / Красношлик А.В., Малишевський А.О., Пруський А.В. // Проблеми та перспективи розвитку забезпечення безпеки життєдіяльності: міжнар. наук. - практ. конф., 16 - 17 березня 2006 р.: тези доп. - Львів, 2006. - С. 163 - 165.

18. Красношлик А.В. Термодинамічне обґрунтування можливості використання напівпровідникових (на основі SnO₂) давачів газосигналізаторів на деякі пожежовибухонебезпечні гази та пари легкозаймистих органічних рідин / Красношлик А.В., Малишевський А.О., Калугін В.Д., Пруський А.В. // Запобігти, врятувати, допомогти: X Ювілейна наук.-технік. конф., 26 - 27 квітня 2006 р.: тези доп. - Харків, 2006. - С. 167 - 170.

19. Пруський А.В. Вибір сенсорів для газових пожежних сповіщувачів / Пруський А.В., Калугін В.Д. // Захист населення і території у надзвичайних ситуаціях: наук.-практ. конф., 26 жовтня 2006 р.: тези доп. - Харків, 2006. - С. 29.

20. Прусский А.В. Решение вопроса исключения ложных срабатываний газовых пожарных извещателей на базе полупроводниковых датчиков / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Пожарная и аварийная безопасность объектов: вторая междунар. науч.-практ. конф., 21 - 23 декабря 2006 г.: тезисы докл. - Иваново, 2006. - С. 144 - 147.

21. Прусский А.В. Обоснование целесообразности использования полупроводникового датчика как чувствительного элемента газового пожарного извещателя / Прусский А.В., Калугин В.Д., Войтов А.Ю. // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация: IV междунар. науч.-практ. конф., 6 - 8 июня 2007 г.: тезисы докл. - Минск, 2007. т. 3. - С. 136 - 138.

22. Prusskiy A.V. Semi - conductor sensors of gas fire detectors for detection of midget concentration of gaseous pyrolysis products / Prusskiy A.V., Kalugin V.D., Voitov A.Y. // Modern Physical Chemistry For Advanced Materials (MPC”07): міжнар. конф., присвячена 100_річчу проф. М. Ізмайлова, 26 - 30 червня 2007 р.: тези доп. - Харків, 2007. - С. 319 - 321.

23. Прусский А.В. Выявление начальной стадии пожара твердых горючих материалов с помощью пожарных извещателей / Прусский А.В., Калугин В.Д. // Актуальні проблеми наглядово-профілактичної діяльності МНС України: наук. - техніч. конф., 2007 р.: тези доп. - Харків, 2007. - С. 169 - 171.

24. Калугин В.Д. Физико-химические основы комплексных технологий формирования полислойных субмикрокристаллических структур для получения микрослоев сверхпроводников и полупроводников / Калугин В.Д., Сидоренко О.В., Опалева Н.С., Прусский А.В., Кустов М.В. // Физико-химические основы формирования и модификации микро-и наноструктур: междунар. науч. конф., 2008 г.: тезисы докл. - Харьков, 2008. - С. 426 - 430.

Анотація

Пруський А.В. Розробка газового пожежного сповіщувача з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу для виявлення первинної стадії горіння целюлозовмісних матеріалів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - пожежна безпека. Університет цивільного захисту України, Харків, 2009.

У дисертації розроблений газовий пожежний сповіщувач (ГПС) з напівпровідниковим чутливим елементом спіралевидного типу (НПЧЕ СТ). Обґрунтовано теоретично й експериментально підтверджене припущення про можливість протікання корозійно - хімічних реакцій на поверхні й в об'ємі НПЧЕ СТ в атмосфері відновлювальних і окислювальних компонентів. Методом планування експерименту побудовані математичні моделі роботи ГПС з НПЧЕ СТ і визначені оптимальний режим й конструкційні параметри його функціонування. Отримано динамічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ (передаточна функція й одинична перехідна функція), що дозволяють оцінити значення технічних характеристик останнього в будь-який момент часу без проведення додаткових експериментальних досліджень. Розроблені рекомендації по проектуванню ГПС з НПЧЕ СТ. Визначено основні технічні характеристики ГПС з НПЧЕ СТ: чутливість - 1 ppm по СО, інерційність - 0.6 с. При цьому за даними експериментально-теоретичних розрахунків ефективність за часом спрацьовування ГПС з НПЧЕ СТ у 1,28 раз краща за димові пожежні сповіщувачі й у 1,71 раз - за теплові пожежні сповіщувачі. Розроблені методика випробувань основних технічних характеристик (чутливість та інерційність спрацьовування) ГПС та рекомендації по використанню ГПС з НПЧЕ СТ.

Ключові слова: газовий пожежний сповіщувач, напівпровідниковий чутливий елемент спіралевидного типу, концентрація СО, чутливість газового пожежного сповіщувача, інерційність газового пожежного сповіщувача, раннє виявлення загоряння целюлозовмісних матеріалів.

Abstract

Prusskiy A.V. Development of gas fire detector with a semi-conductor sensitive element of helicoid type for revealing a primary stage of burning cellulose materials. - Manuscript.

A dissertation on competition of a scientific degree of candidate of technical science on a specialty 21.06.02 - fire safety. Civil Defense University of Ukraine, Kharkiv, 2009.

In the dissertation the gas fire detector (GFD) with a semi-conductor sensitive element of helicoid type (SCSE HT) is developed. Representation about course possibility of corrosion and chemical reactions to surfaces and in volume of a SCSE HT in an atmosphere regenerative and oxidizing a component is proved theoretically and experimentally confirmed. The constructed mathematical models of work of GFD with SCSE HT also are defined by a method of planning of experiment an optimum mode and constructional parameters of its functioning. Dynamic characteristics of GFD with SCSE HT (transfer function and individual transitive function) which allow to estimate value of technical characteristics of the last at any moment without carrying out of additional experimental researches are received. Recommendations about designing of GFD with SCSE HT are developed. The basic technical characteristics of GFD with SCSE HT are defined: sensitivity - 1 ppm on CO, inertia - 0.6 s. Thus according to experimentally-theoretical calculations efficiency on time of operation of GFD with SCSE HT in 1,28 times is better smoke fire detectors and in 1,71 times - thermal fire detectors. Are developed a technique of tests of the basic technical characteristics (sensitivity and inertia operations) GFD and recommendations about use of GFD with SCSE HT.

Keywords: the gas fire detector, a semi-conductor sensitive element of helicoid type, concentration CO, sensitivity of gas fire detector, inertia of gas fire detector, early revealing of ignition cellulose materials.

Аннотация

Прусский А.В. Разработка газового пожарного извещателя с полупроводниковым чувствительным элементом спиралевидного типа для выявления первичной стадии горения целлюлозосодержащих материалов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - пожарная безопасность. Университет гражданской защиты Украины, Харьков, 2009.

В диссертационном исследовании значительное повышение эффективности раннего обнаружения возгорания целлюлозосодержащих материалов достигнуто за счет использования в газовых пожарных извещателях полупроводниковых чувствительных элементов спиралевидного типа.

В первом разделе проведен анализ особенностей организации противопожарной защиты объектов и процесса зарождения начальной стадии возгорания целлюлозосодержащих материалов, результаты которого свидетельствуют о необходимости проведения исследований по созданию нового поколения пожарных извещателей, способных реагировать на газообразные продукты термической деструкции целлюлозосодержащих материалов, с целью повышения эффективности систем раннего выявления пожара.

Во втором разделе экспериментально установлена принципиальная возможность использования в газовых пожарных извещателях (ГПИ) полупроводниковых чувствительных элементов спиралевидного типа (ППЧЭ СТ). Автором обоснован выбор химического состава и конструкционных параметров ППЧЭ СТ для ГПИ. Обосновано теоретически и экспериментально подтверждено представление о возможности протекания коррозионно - химических реакций на поверхности и в объеме ППЧЭ СТ в атмосфере восстановительных и окислительных компонент. На основе результатов проведенных исследований дополнена технология производства ППЧЭ СТ: при формировании чувствительной массы на спирали из нихрома необходимо наносить термолитически тончайшие слои TiO₂, которые существенно повышают химическую стойкость ППЧЭ СТ независимо от природы анализируемых газовых сред.

В третьем разделе разработан ГПИ с ППЧЭ СТ. Разработаны математические модели работы ГПИ с ППЧЭ СТ и определены максимально эффективный режим и конструкционные параметры его функционирования: ток нагревателя - 41.5 мА, число витков нагревателя - 7.5, концентрация оксида титана в чувствительной массе датчика - 4 % (масс.). Получена математическая модель изменения концентрации СО при возникновении возгорания целлюлозосодержащих материалов. Определены экспериментальные зависимости величины аналитического сигнала ГПИ с ППЧЭ СТ от концентрации СО, которые подтверждаются расчетным путем с помощью динамических характеристик ГПИ с ППЧЭ СТ (передаточная функция и единичная переходная функция), что позволяет оценить значение технических характеристик последнего в любой момент времени без проведения дополнительных экспериментальных исследований.