Патент на изобретение №2273886

(54) ДЫМОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области пожарной сигнализации и может быть использовано в системах пожарной сигнализации для выявления увеличения оптической плотности воздуха по интенсивности рассеяния светового инфракрасного излучения. Технический результат – повышение стабильности чувствительности извещателя. Результат обеспечивается предложенным схемным решением, которое создает условия, при которых импульсы сбрасывания перестают формироваться при одном и том же значении оптической плотности воздуха. 3 ил.

Изобретение относится к области пожарной сигнализации и может быть использовано в системах пожарной сигнализации для выявления увеличения оптической плотности воздуха по интенсивности рассеяния инфракрасного излучения.

Известны пожарные извещатели, оптические датчики дыма и устройства регистрации дыма, работающие по принципу периодического излучения импульсов инфракрасного излучения и последующего их приема, усиления и обработки полученного сигнала различными способами, формирующие сигнал о наличии или отсутствии дыма (см. журнал “Системы безопасности связи и телекоммуникации”, 2000, 33, с.65).

Известно устройство регистрации дыма (патент Российской Федерации RU 2221278, 7 G 08 B 17/10, опубл. 10.01.2004), содержащее тактовый генератор, излучатель, связанный через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотоприемником, схему сброса, формирователь сигнала регистрации дыма. Кроме того, оно имеет схему синхронного детектирования, схему сравнения и запоминания, которая выполнена в виде первого и второго двоичных счетчиков, причем V-вход и R-вход первого двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания соединены с соответствующими выходами тактового генератора, выход упомянутого первого двоичного счетчика параллельно связан с входом излучателя, V-входом второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания и первым входом схемы синхронного детектирования, второй и третий входы которой связаны соответственно с выходами фотоприемника и схемы сброса, а выход – с R-входом второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания, выход второго двоичного счетчика схемы сравнения и запоминания связан с С-входами обоих счетчиков и с входом формирователя сигнала регистрации дыма.

Недостатком известного устройства является низкая стабильность чувствительности от устройства к устройству при их серийном производстве (см. п.5.3.4. НПБ 65-97 Извещатели пожарные оптико-электронные. Общие технические требования. Методы испытаний) из-за значительного разброса фаз сигналов, поступающих на синхронный детектор с фотоприемника и с тактового генератора, вызванного использованием элементов с большим разбросом входной емкости.

Наиболее близким по технической сути к изобретению, которое патентуется, является выбранный в качестве прототипа дымовой пожарный извещатель (Извещатель пожарный дымовой оптико-электронный ИП212-41Г, ТУ 4371-005-12215496-00, 4371-005-12215496-01 ПС), который содержит инфракрасный излучатель, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, анод и катод которого подключены ко входу усилителя, формирователь сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с выходом элемента односторонней проводимости и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу накопительного конденсатора, к первому выводу электропитания токового ключа и ко входу первого интегратора, к выходу которого подключен первый вывод электропитания усилителя, второй вывод электропитания которого соединен с общей шиной, вторым выводом электропитания токового ключа, со вторым выводом накопительного конденсатора и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к первому входу и выходу двоичного счетчика и ко входу тактового генератора, к выходу которого подключен первый вывод конденсатора дифференцирующей RC-цепи, вход токового ключа и второй вход двоичного счетчика, третий вход которого подключен к выходу первого триггера Шмитта, первый вход которого соединен с выходом схемы сбрасывания по напряжению питания, а второй вход – с вторым выводом конденсатора дифференцирующей RC-цепи и через резистор дифференцирующей RC-цепи – с шиной электропитания, к выходу токового ключа подключен инфракрасный излучатель, выход второго триггера Шмитта через диод соединен со вторым входом первого триггера Шмитта, при этом вход элемента односторонней проводимости подсоединен к первой клемме шлейфа пожарной сигнализации, а второй вывод электропитания усилителя соединен со второй клеммой шлейфа пожарной сигнализации. Кроме того, шина питания соединена с первым выводом накопительного конденсатора. Выводы электропитания тактового генератора, двоичного счетчика, схемы сбрасывания, первого и второго триггеров Шмитта соединены соответственно с шиной питания и с общей шиной устройства, а к выходу усилителя подключены оба входа второго триггера Шмитта.

Недостатком известного извещателя является низкая стабильность чувствительности, которая обнаруживается при серийном производстве таких извещателей. Поскольку в известном извещателе электропитание логических элементов, в том числе и триггеров Шмитта, осуществляется непосредственно от накопительного конденсатора, а в процессе работы напряжение на этом конденсаторе скачкообразно меняется именно тогда, когда происходит переключение этих триггеров Шмитта, то, в связи с прямой зависимостью пороговых напряжений триггера Шмитта от напряжения его электропитания, имеет место нестабильность моментов времени этих переключений, а значит, и порога чувствительности извещателя. Кроме того, из-за нестабильности фазовой задержки сигнала на выходе второго триггера Шмитта, вызванной нестабильностью входной емкости этого второго триггера Шмитта, порог чувствительности извещателя существенно меняется от изделия к изделию. Объединение входов второго триггера Шмитта увеличивает не только величину такой паразитной емкости, но и нестабильность суммарного значения этой емкости.

В основу изобретения поставлена задача повышения стабильности чувствительности путем создания условий для исчезновения импульсов сбрасывания на одном и том же пороге чувствительности.

Поставленная задача решается тем, что дымовой пожарный извещатель, содержащий инфракрасный излучатель, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, анод и катод которого подключены ко входу усилителя, формирователь сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с выходом элемента односторонней проводимости и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу накопительного конденсатора, к первому выводу электропитания токового ключа и ко входу первого интегратора, к выходу которого подключен первый вывод электропитания усилителя, второй вывод электропитания которого соединен с общей шиной, вторым выводом электропитания токового ключа, со вторым выводом накопительного конденсатора и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к первому входу и выходу двоичного счетчика и ко входу тактового генератора, к выходу которого подключен первый вывод конденсатора диференциирующей RC-цепи, вход токового ключа и второй вход двоичного счетчика, третий вход которого подключен к выходу первого триггера Шмитта, первый вход которого соединен с выходом схемы сбрасывания по напряжению питания, а второй вход – со вторым выводом конденсатора диференциирующей RC-цепи и через резистор диференциирующей RC-цепи – с шиной электропитания, к выходу токового ключа подключен инфракрасный излучатель, выход второго триггера Шмитта через диод соединен со вторым входом первого триггера Шмитта, при этом вход элемента односторонней проводимости подсоединен к первой клемме шлейфа пожарной сигнализации, а второй вывод электропитания усилителя соединен со второй клеммой шлейфа пожарной сигнализации, согласно изобретению, дополнительно содержит второй интегратор и резистор, через который первый вход второго триггера Шмитта соединен с шиной питания, при этом выход первого интегратора соединен с шиной питания, а второй вход второго триггера Шмитта через второй интегратор соединен с выходом усилителя.

Введение дополнительных элементов и связей в предложенном извещателе одновременно обеспечивает стабилизацию предельных напряжений первого и второго триггеров Шмитта и стабилизацию разности фаз между импульсами на выходе дифференцирующей RC-цепи и импульсами на выходе второго триггера Шмитта, которые появляются при повышении удельной оптической плотности среды выше установленного значения. Это создает условия, при которых импульсы сбрасывания перестают формироваться на одном и том же же пороге чувствительности, то есть при одном и том же значении оптической плотности воздуха, что позволяет повысить стабильность чувствительности дымового извещателя. Достижение стабильности в условиях серийного производства важно и потому, что требования НПБ 65-97 к этому параметру более жесткие, чем требования европейского стандарта EN-54-7-2003.

Суть изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена блок-схема дымового пожарного извещателя.

На фиг.2 и 3 представлены временные диаграммы работы дымового пожарного извещателя.

Дымовой пожарный извещатель (фиг.1) содержит индикатор 1, а также клеммы 2 и 3 для подключения к шлейфу пожарной сигнализации. К первой клемме 2 подключен вход элемента 4 односторонней проводимости, выход которого соединен с первым выводом электропитания формирователя 5 сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента 6. Выход токоограничительного элемента 6 подключен: к первому выводу накопительного конденсатора 7, к первому выводу электропитания токового ключа 8 и входу первого интегратора 9. К выходу первого интегратора 9 подключен первый вывод электропитания усилителя 10, второй вывод электропитания которого соединен с общей шиной 11, вторым выводом электропитания токового ключа 8, со вторым выводом накопительного конденсатора 7, второй клеммой 3 и со вторым выводом электропитания формирователя 5 сигнала регистрации дыма. Выход формирователя 5 сигнала регистрации дыма подключен к индикатору 1, а вход – к выходу двоичного счетчика 12, к первому входу этого же двоичного счетчика и к входу тактового генератора 13. К выходу тактового генератора 13 подключен первый вывод конденсатора 14 дифференцирующей RC-цепи, вход токового ключа 8 и второй вход двоичного счетчика 12, третий вход которого подключен к выходу первого триггера 15 Шмитта. Первый вход первого триггера 15 Шмитта соединен с выходом схемы 16 сброса по напряжению питания, а второй вход – со вторым выводом конденсатора 14 дифференцирующей RC-цепи и через резистор 17 этой дифференцирующей RC-цепи – с шиной электропитания 18. К выходу токового ключа 8 подключен инфракрасный излучатель 19, оптически связанный через камеру 20 со светопоглощающими стенками с фотодиодом 21. Выводы фотодиода 21 подключены к входу усилителя 10, а выход второго триггера 22 Шмитта через диод 23 соединен со вторым входом первого триггера 15 Шмитта. Вход второго интегратора 24 соединен с выходом усилителя 10. Через резистор 25 первый вход второго триггера 22 Шмитта соединен с шиной питания 18 и выходом первого интегратора 9. Второй вход второго триггера 22 Шмитта подключен к выходу второго интегратора 24.

Выводы электропитания тактового генератора 13, двоичного счетчика 12, схемы 16 сброса по напряжению питания, первого и второго триггеров Шмитта 15 и 22 соединены соответственно с шиной питания и с общей шиной устройства (на фиг.1 эти соединения не показаны).

Дымовой пожарный извещатель работает таким образом. При подаче напряжения питания на входные клеммы 2 и 3 через элемент 4 односторонней проводимости и токоограничительный элемент 6 осуществляется заряд накопительного конденсатора 7. Элемент 4 односторонней проводимости осуществляет защиту других элементов дымового пожарного извещателя при ошибочном подключении полярности напряжения питания. Пока напряжение на выводах накопительного конденсатора 7 недостаточное для нормальной работы дымового пожарного извещателя, на выходе схемы 16 сброса по напряжению электропитания формируется низкий потенциальный уровень, который через первый триггер 15 Шмитта устанавливает на третьем входе двоичного счетчика 12 высокий потенциальный уровень. В этом случае двоичный счетчик 12 будет находиться в нулевом состоянии независимо от сигналов на его первом и втором входах. Формирователь 5 сигнала регистрации дыма будет закрыт и индикатор 1 будет выключен. В то же время низкий потенциальный уровень, который поступает с выхода счетчика 12 на вход тактового генератора 13, разрешает работу этого генератора 13. На выходе тактового генератора 13 формируются короткие, продолжительностью несколько десятков микросекунд, импульсы с периодом следования около одной секунды (см. U13 фиг.2).

Эти импульсы поступают на вход токового ключа 8, второй вход двоичного счетчика 12 и через конденсатор 14 дифференцирующей RC-цепи на второй вход первого триггера 15 Шмитта. Токовый ключ 8 обеспечивает разряд накопительного конденсатора 7 заданной величиной тока через свой выход на излучающий инфракрасный диод 19. Величина, на которую будет разряжаться накопительный конденсатор 7, будет зависеть от продолжительности и периода импульсов, которые появляются на выходе тактового генератора 13, а также отношения тока заряда накопительного конденсатора 7 через токоограничительный элемент 6 к току разряда этого конденсатора 7 через токовый ключ 8 и излучающий инфракрасный диод 19. Рассеянное оптической камерой со светопоглощающими стенками инфракрасное излучение излучающего инфракрасного диода 19 поступает на фотодиод 21. Усиленные усилителем 10 импульсы по своей амплитуде и фазе будут существенно зависеть от оптической плотности воздуха в оптической камере. Так, при абсолютной прозрачности воздуха на выходе усилителя будут присутствовать треугольные импульсы малой амплитуды, так как будет иметь место некоторое отражение от стенок оптической камеры (см. U10 фиг.2). Импульс треугольной формы на выходе усилителя 10 будет достигать своего максимума в момент окончания импульса на выходе тактового генератора 13. На выходе второго интегратора импульсы будут меньше по амплитуде и сдвинуты по фазе так, что максимум амплитуды этих импульсов будет наблюдаться через несколько микросекунд после окончания импульса на выходе тактового генератора 13. Если амплитуда этих импульсов не будет достигать порогового значения Uпор второго триггера 22 Шмитта, то на его выходе будет присутствовать низкий потенциальный уровень и диодный ключ 23 будет закрыт. На первом входе первого триггера 15 Шмитта будут присутствовать импульсы, продифференцированные RC-цепью, выполненной на конденсаторе 14 и резисторе 17. По каждому отрицательному перепаду напряжения на выходе тактового генератора 13 на выходе первого триггера 15 Шмитта будет формироваться импульс длительностью около 20 мкс. Таким образом, по каждому положительному перепаду сигнала на своем втором входе двоичный счетчик 12 будет переключаться, производя подсчет только одного импульса, и тут же будет сбрасываться от импульсов, приходящих на его третий вход. На выходе старшего разряда двоичного счетчика 12, к которому подключен вход формирователя 5 сигнала регистрации дыма, будет оставаться низкий потенциальный уровень, индикатор 1 не будет светиться. Извещатель будет оставаться в дежурном режиме работы, потребляя от шлейфа пожарной сигнализации, который подключен к клеммам 2 и 3, ток, величина которого ограничена токоограничительным элементом 6.

Но мере увеличения удельной оптической плотности среды будет увеличиваться амплитуда импульсов на выходе усилителя 10 (см. фиг.3). Моменты переключения второго триггера 22 Шмитта будут зависеть не только от амплитуды импульса на выходе интегратора 24 и фазовой задержки сигнала, вызванной интегратором 22, но и от стабильности пороговых напряжений U¹ _пор и U⁰ _пор этого триггера 22 Шмитта.

Фазовая задержка импульса будет зависеть от параметров второго интегратора 24, а также паразитной емкости монтажа и входной емкости выводов второго триггера 22 Шмитта. В условиях серийного производства, при использовании печатных плат паразитная емкость монтажа составляет 1-2 пФ, и это значение существенно зависит от стабильности технологического процесса изготовления печатных плат. Входная емкость микросхем КМОП-логики составляет 5-15 пФ на вывод и меняется от микросхемы к микросхеме (см. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. Справочник. Челябинск. Металлургия. 1989 г., с.195). Если емкость цепи второго интегратора будет определяться только паразитной емкостью монтажа и входной емкостью микросхемы, то величина фазовой задержки при сопротивлении интегратора 300 кОм может составлять от 1 до 5 мкс и меняться от извещателя к извещателю. Второй вывод второго триггера 22 Шмитта подключен к шине электропитания через резистор 25 с той же целью – уменьшить влияние входной емкости микросхемы на стабильность фазовой задержки сигнала на первом входе второго триггера 22 Шмитта. Применение в интеграторе стабильной емкости (конденсатора типа NPO), величина которой будет в 5-10 раз больше суммарного значения паразитной емкости монтажа и входной емкости микросхемы, позволит зафиксировать величину фазовой задержки вне зависимости от разброса параметров используемых деталей. Величина сопротивления интегратора 24 выбирается такой, чтобы максимум амплитуды сигнала на выходе интегратора 24 в момент достижения значения U⁰ _пор был задержан относительно отрицательного перепада импульса на выходе тактового генератора на время, равное половине длительности импульса сброса, поступающего на третий вход двоичного счетчика 12 в дежурном режиме работы.

В дежурном режиме работы, когда удельная оптическая плотность воздуха ниже установленного уровня, по каждому импульсу на выходе тактового генератора 13 будет происходить сброс двоичного счетчика 12. При достижении задымленности установленного уровня, то есть при повышении удельной оптической плотности воздуха, увеличивается интенсивность рассеянного излучения. В этом случае по каждому импульсу на выходе тактового генератора 13 состояние двоичного счетчика 12 будет увеличиваться на единицу, пока не состоится переключение старшего разряда двоичного счетчика 12, по которому запрещается дальнейший счет импульсов. При наличии высокого потенциального уровня на старшем разряде двоичного счетчика 12 открывается формирователь 5 сигнала регистрации дыма, что обеспечивает заданное потребление тока от шлейфа пожарной сигнализации, к которому подключен дымовой пожарный извещатель своими входными клеммами 2 и 3. Кроме того, этим сигналом запрещается работа тактового генератора 13. Вывести дымовой пожарный извещатель из этого состояния возможно только отключением напряжения питания на время, достаточное для разряда накопительного конденсатора 7 до величины, при которой на выходе схемы 16 сброса по напряжению питания установится низкий потенциальный уровень.

Подключение шины электропитания к накопительному конденсатору 7 через первый интегратор 9 позволяет не только уменьшить пульсации напряжения, от которого питаются логические элементы извещателя и усилитель, но и стабилизировать саму величину напряжения на выходе первого интегратора 9 благодаря высокому сопротивлению первого интегратора 9. Таким образом, обеспечивая питание первого и второго триггеров Шмитта 15 и 22 от накопительного конденсатора 7 через первый интегратор 9, достигают стабильные значения пороговых напряжений переключения указанных триггеров Шмитта.

Использование введенных элементов: второго интегратора 24 и резистора 25, а также новых связей между элементами дымового пожарного извещателя позволило повысить стабильность чувствительности извещателя.

Формула изобретения

Дымовой пожарный извещатель, содержащий инфракрасный излучатель, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с фотодиодом, анод и катод которого подключены ко входу усилителя, формирователь сигнала регистрации дыма, первый вывод электропитания которого соединен с выходом элемента односторонней проводимости и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу накопительного конденсатора, к первому выводу электропитания токового ключа и ко входу первого интегратора, к выходу которого подключен первый вывод электропитания усилителя, второй вывод электропитания которого соединен с общей шиной, вторым выводом электропитания токового ключа, со вторым выводом накопительного конденсатора и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к первому входу и выходу двоичного счетчика и ко входу тактового генератора, к выходу которого подключены первый вывод конденсатора дифференцирующей RC-цепи, вход токового ключа и второй вход двоичного счетчика, третий вход которого подключен к выходу первого триггера Шмитта, первый вход которого соединен с выходом схемы сбрасывания по напряжению питания, а второй вход – со вторым выводом конденсатора дифференцирующей RC-цепи и через резистор дифференцирующей RC-цепи – с шиной электропитания, к выходу токового ключа подключен инфракрасный излучатель, выход второго триггера Шмитта через диод соединен со вторым входом первого триггера Шмитта, при этом вход элемента односторонней проводимости подсоединен к первой клемме шлейфа пожарной сигнализации, а второй вывод электропитания усилителя соединен со второй клеммой шлейфа пожарной сигнализации, отличающийся тем, что извещатель дополнительно содержит второй интегратор и резистор, через который первый вход второго триггера Шмитта соединен с шиной питания, при этом выход первого интегратора соединен с шиной питания, а второй вход второго триггера Шмитта через второй интегратор соединен с выходом усилителя.

РИСУНКИ