Патент на изобретение №2294018

(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 заключается в исключении эффекта блокирования падения напряжения на логических элементах на величине, меньшей минимального значения рабочего напряжения этих логических элементов, в обеспечении стойкого запуска извещателя и в повышении надежности его работы. Сущность изобретения состоит в том, что дымовой пожарный извещатель, содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого соединен с первой клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и к первому входу тактового генератора, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен к выходу усилителя, а третий вход – к выходу схемы сброса по напряжению питания, ко входам усилителя подключен фотодиод, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с инфракрасным излучателем, подключенным к выходу токового ключа, первый вывод питания которого соединен с первым выводом конденсатора и входом интегратора, выход которого подключен к первому выводу питания усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом питания токового ключа и общей шиной, согласно изобретению дополнительно содержит фильтр высоких частот, выход которого подключен ко входу токового ключа, а вход – ко второму выходу тактового генератора, второй вход которого подключен к выходу схемы сброса по напряжению питания, выводы питания которой соединены с соответствующими выводами питания усилителя, тактового генератора, двоичного счетчика и схемы сравнения. За счет введения цепи управления тактовым генератором от схемы сброса по напряжению питания, гальванического разделения входной цепи токового ключа фильтром высокой частоты и разделения цепей питания токового ключа от других элементов схемы интегратором становится возможным исключить эффект блокирования падения напряжения на логических элементах на величине, меньшей минимального значения рабочего напряжения этих логических элементов, и обеспечить стойкий запуск извещателя и повышение надежности его работы. 1 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, формируя 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), которое содержит тактовый генератор, излучатель, связанный через оптическую камеру со светопоглощающими стенками с фотоприемником, схему сброса, формирователь сигнала регистрации дыма. Кроме того, оно содержит 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 со входом формирователя сигнала регистрации дыма.

Недостатком известного устройства является низкая надежность его работы, особенно при малом, например менее 0,1 мА, токе электропитания. Логические узлы, выполненные на КМОП микросхемах, после включения электропитания при выходе на рабочее напряжение (более 3 В) значительно увеличивают потребление тока, особенно те узлы, которые охвачены обратной связью: генераторы, пороговые элементы и т.д. Причем с увеличением рабочего напряжения увеличивается ток потребления, например, ток потребления генератора при максимальном значении рабочего напряжения может достигать значения единиц миллиампер, т.е. превосходить установленный предел тока потребления в целом для извещателя в несколько раз.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа дымовой пожарный извещатель (Извещатель пожарный дымовой оптико-электронный ИП212-41М ТУ 4371-005-12215496-00; Паспорт 4371-005-12215496-00 ПС), содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого соединен с первой клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и к первому входу тактового генератора, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен к выходу усилителя, а третий вход – к выходу схемы сброса по напряжению питания, ко входам усилителя подключен фотодиод, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с инфракрасным излучателем, подключенным к выходу токового ключа, первый вывод питания которого соединен с первым выводом конденсатора и входом интегратора, выход которого подключен к первому выводу питания усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом питания токового ключа и общей шиной.

Недостатком известного извещателя также является низкая надежность, особенно при малом, например менее 0,1 мА, токе электропитания. Если величина тока, потребляемого усилителем, тактовым генератором, схемой сравнения, схемой сброса по напряжению питания, двоичным счетчиком, токовым ключом совместно с током утечки конденсатора, достигнет величины, заданной токоограничительным элементом, то возможно блокирование дальнейшего роста падения напряжения, которое может никогда не достигнуть величины, равной или большей нижнего значения рабочего напряжения логических элементов. Это означает, что, потребляя от шлейфа пожарной сигнализации установленное значение тока, извещатель может не выйти на дежурный режим работы при любом последующем включении питающего напряжения. Причем факт такого отказа может быть установлен после того, как извещатель не выполнит своей основной функции. А при любом последующем переключении питающего напряжения в шлейфе пожарной сигнализации может возникнуть отказ любого аналогичного извещателя, установленного в этот шлейф пожарной сигнализации или возобновление дежурного режима работы извещателя хаотичным образом.

При полностью разряженном конденсаторе ток утечки в начальный момент после включения достигает значения, ограниченного токоограничительным элементом, затем медленно, в течение нескольких минут, будет достигать значения, равного

I_утеч=RCU+А,

I_утеч – ток утечки конденсатора;

К – коэффициент, зависящий от типа конденсатора, например 0,05 для конденсаторов типа К50-6;

С – емкость конденсатора в микрофарадах;

U – рабочее напряжение конденсатора в вольтах;

А – постоянное значение тока утечки, например 5 мкА для конденсаторов типа К50-6.

Например, для используемого в извещателе конденсатора такого типа с параметрами 47 мкФ, 25 В величина тока утечки может превосходить паспортное значение тока потребления всем извещателем ИП212-41М – 50 мкА. Таким образом, при включении такого извещателя падение напряжения на конденсаторе может блокироваться на величине менее 3 В, когда логические состояния на выходах логических элементов еще не определены. Уменьшить влияние токов утечки можно выбором типа используемого конденсатора, однако полностью исключить влияние тока заряда и тока утечки конденсатора невозможно. Необходимо, чтобы ток, проходящий через токоограничительный элемент, значительно превосходил ток утечки применяемого конденсатора.

При наличии в прототипе прямой гальванической связи между тактовым генератором и токовым ключом уровень напряжения на выходе тактового генератора может оказаться достаточным, чтобы открыть токовый ключ еще до того, как падение напряжения на конденсаторе достигнет значения рабочего напряжения логических элементов. В этом случае ток, протекающий через излучающий инфракрасный диод, дополнительно уменьшит ток заряда конденсатора, а это означает, что падение напряжения на конденсаторе может никогда не достигнуть рабочего напряжения логических элементов. В таком состоянии извещатель может находиться бесконечно долго, не выполняя своей основной функции.

Способствовать отказу извещателя могут также логические элементы, охваченные отрицательной обратной связью, например, те, на которых собран тактовый генератор. Именно эти логические элементы потребляют значительную часть тока, протекающего через токоограничительный элемент, так как большую часть времени они находятся в активном состоянии – в процессе переключения. Поэтому при включении питающего напряжения логические элементы тактового генератора резко увеличат потребление тока в условиях, когда падение напряжения на конденсаторе достигнет значения минимального рабочего напряжения. Это может привести к уменьшению падения напряжения на конденсаторе, и дальнейшее увеличение падения напряжения на конденсаторе станет невозможным.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы извещателя за счет исключения эффекта блокировки падения напряжения на логических элементах на величине, меньшей минимального значения рабочего напряжения этих логических элементов.

Поставленная задача решается тем, что дымовой пожарный извещатель, содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого соединен с первой клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и к первому входу тактового генератора, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен к выходу усилителя, а третий вход – к выходу схемы сброса по напряжению питания, ко входам усилителя подключен фотодиод, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с инфракрасным излучателем, подключенным к выходу токового ключа, первый вывод питания которого соединен с первым выводом конденсатора и входом интегратора, выход которого подключен к первому выводу питания усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом питания токового ключа и общей шиной, согласно изобретению дополнительно содержит фильтр высоких частот, выход которого подключен ко входу токового ключа, а вход – ко второму выходу тактового генератора, второй вход которого подключен к выходу схемы сброса по напряжению питания, выводы питания которой соединены с соответствующими выводами питания усилителя, тактового генератора, двоичного счетчика и схемы сравнения.

За счет введения цепи управления тактовым генератором от схемы сброса по напряжению питания обеспечивается уменьшение потребления тока логическими элементами тактового генератора в первоначальный момент включения питающего напряжения. Это уменьшение обусловлено тем, что тактовый генератор начинает работать после того, как падение напряжения на логических элементах превысит минимальное значение рабочего напряжения. Отделение входной цепи токового ключа от второго выхода тактового генератора при помощи фильтра высокой частоты обеспечивает надежное удержание в закрытом состоянии токового ключа при отсутствии импульсов на выходе тактового генератора и тем самым – уменьшение тока потребления токовым ключом в момент включения извещателя. Отделение цепей питания токового ключа от других элементов схемы при помощи интегратора обеспечивает создание разницы падений напряжения на токовом ключе и на логических элементах схемы извещателя. За счет этой разницы потенциалов обеспечивается устойчивая работа извещателя, так как кратковременные провалы напряжения на выводах конденсатора в моменты его разряда токовым ключом не изменят потенциала шины, от которой осуществляется питание логических элементов. Все это позволяет исключить эффект блокирования падения напряжения на логических элементах на величине, меньшей минимального значения рабочего напряжения этих логических элементов, и обеспечить устойчивый запуск схемы извещателя при каждом включении питающего напряжения.

На чертеже представлена блок-схема дымового пожарного извещателя.

Дымовой пожарный извещатель 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 первого конденсатора 7, выводу питания токового ключа 8 и входу интегратора 9. Выход интегратора 9 подключен к первому выводу питания усилителя 10, второй вывод питания которого соединен с общей шиной 11, второй клеммой 3 и вторым выводом питания формирователя 5 сигнала регистрации дыма, к выходу которого подключен индикатор 1. Выводы питания схемы 12 сброса по напряжению питания соединены с соответствующими выводами питания усилителя 10, тактового генератора 13, схемы сравнения 14, двоичного счетчика 15. Ко входам усилителя 10 подключен фотодиод 16, оптически связанный через камеру 17 со светопоглощающими стенками с инфракрасным излучателем 18, подключенным к выходу токового ключа 8. Вход формирователя 5 сигнала регистрации дыма подключен к выходу двоичного счетчика 15, к С-входу этого счетчика 15 и к первому входу тактового генератора 13, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика 15 и первому входу схемы сравнения 14, выход которой соединен с R-входом двоичного счетчика 15, второй вход схемы 14 сравнения подключен к выходу усилителя 10, а третий вход – к выходу схемы 12 сброса по напряжению питания и ко второму входу тактового генератора 13. Второй выход тактового генератора 13 через фильтр 19 высоких частот соединен со входом токового ключа 8. К выходу интегратора 9 подключена шина 20 питания, с которой соединены первые выводы питания усилителя 10, схемы 12 сброса по напряжению питания, тактового генератора 13, схемы 14 сравнения и двоичного счетчика 15. Вторые выводы питания указанных выше блоков подключены к общей шине 11.

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 шлейфа пожарной сигнализации. Пока напряжение на выводах накопительного конденсатора 7 недостаточно для нормальной работы дымового пожарного извещателя, падение напряжения на интеграторе 9 незначительное – значительно меньше падения напряжения между шиной 20 питания и общей шиной 11. Это обусловлено низким током потребления логических элементов в статическом режиме. Еще до достижения минимального значения рабочего напряжения на выходе схемы 12 сброса по напряжению питания формируется низкий потенциальный уровень, который запрещает работу тактового генератора 13. Но при этих напряжениях на выходах тактового генератора 13 присутствуют потенциалы, близкие к половине падения напряжения на выводах питания тактового генератора 13. Фильтр 19 верхних частот не позволяет токовому ключу 8 открыться. В момент достижения минимального значения рабочего напряжения все элементы схемы извещателя находятся в статическом режиме. На первом выходе тактового генератора 13 устанавливается низкий потенциальный уровень, а на втором – его инверсное значение: высокий потенциальный уровень. Низкий потенциальный уровень, поступающий через третий вход схемы 14 сравнения, устанавливает на R-входе двоичного счетчика 15 высокий потенциальный уровень. В этом случае двоичный счетчик 15 находится в нулевом состоянии независимо от сигналов на других его входах. Формирователь 5 сигнала регистрации дыма закрыт, и индикатор 1 выключен. В то же время низкий потенциальный уровень, который поступает с выхода двоичного счетчика 15 на первый вход тактового генератора 13 и на С-вход этого же счетчика 15, разрешает работу тактового генератора 13 и двоичного счетчика 15.

Так как потребление тока тактовым генератором 13 существенно зависит от напряжения питания, то для его малого (десятки микроампер) значения необходимо, чтобы переключение схемы 12 сброса по напряжению питания осуществлялось при рабочем напряжении, близком к его минимальному значению, но превышающем его. В момент изменения состояния на выходе схемы 12 сброса по напряжению питания запускается тактовый генератор 13, а на R-входе двоичного счетчика 15 устанавливается потенциальный уровень, который разрешает изменение состояний двоичного счетчика 15 при перепадах напряжения на его V-входе. С этого момента падение напряжения между шиной 20 питания и общей шиной 11 стабилизируется, а падение напряжения на накопительном конденсаторе 7 продолжает расти. Примерно через 1 с после разрешения работы на взаимно инверсных выходах тактового генератора 13 появляется короткий, продолжительностью в несколько десятков микросекунд, импульс. С такой же длительностью и периодичностью около 1 с повторяются импульсы на выходах тактового генератора 13 до появления запрещающих сигналов на его входах. С первого выхода тактового генератора 13 импульсы поступают на первый вход схемы 14 сравнения и V-вход двоичного счетчика 15. Со второго выхода тактового генератора 13 через фильтр 19 высокой частоты импульсы поступают на вход токового ключа 8. Токовый ключ 8 обеспечивает разряд накопительного конденсатора 7 заданной величиной тока через свой выход на инфракрасный излучатель 18. Величина, на которую разряжается накопительный конденсатор 7, зависит от продолжительности и периода импульсов, которые появляются на выходе тактового генератора 13, а также от отношения тока заряда накопительного конденсатора 7 через токоограничительный элемент 6 к току разряда этого конденсатора 7 через токовый ключ 8. Таким образом, установившееся падение напряжения на накопительном конденсаторе 7 превышает потенциал шины 20 питания на величину падения напряжения на интеграторе 9. За счет этой разницы потенциалов обеспечивается устойчивая работа извещателя, так как кратковременные провалы напряжения на выводах накопительного конденсатора 7 в моменты его разряда токовым ключом 8 за счет интегратора 9 не изменяют потенциала шины 20 питания.

Рассеянное оптической камерой 17 со светопоглощающими стенками инфракрасное излучение излучателя 18 поступает на фотодиод 16. Усиленные усилителем 20 импульсы по своей амплитуде и фазе существенно зависят от оптической плотности воздуха в оптической камере 17. Так, при абсолютной прозрачности воздуха на выходе усилителя 10 присутствуют треугольные импульсы малой амплитуды, так как имеет место некоторое отражение от стенок оптической камеры 17. Импульс треугольной формы на выходе усилителя 10 достигает своего максимума в момент окончания импульса на выходе тактового генератора 13. При малой амплитуде этих импульсов на выходе схемы 14 сравнения появляются импульсы сброса двоичного счетчика 15. Таким образом, по каждому положительному перепаду сигнала на своем V-входе двоичный счетчик 15 переключается, производя подсчет только одного импульса, и тут же сбрасывается от импульсов, приходящих на его R-вход. В дежурном режиме работы, когда удельная оптическая плотность воздуха ниже установленного уровня, по каждому импульсу на выходе тактового генератора 13 происходит сброс двоичного счетчика 15. На выходе старшего разряда двоичного счетчика 15, к которому подключен вход формирователя 5 сигнала регистрации дыма, остается низкий потенциальный уровень, индикатор 1 не светится. Извещатель остается в дежурном режиме работы, потребляя от шлейфа пожарной сигнализации, подключенному к клеммам 2 и 3, ток, величина которого ограничена токоограничительным элементом 6.

По мере увеличения удельной оптической плотности среды увеличивается амплитуда импульсов на выходе усилителя 10, пока не достигнет порогового значения, при котором на R-входе двоичного счетчика 15 устанавливается низкий потенциальный уровень, разрешающий счет импульсов, поступающих на V-вход этого счетчика 15. В этом случае по каждому импульсу на выходе тактового генератора 13 состояние двоичного счетчика 15 увеличивается на единицу, пока не состоится переключение старшего разряда двоичного счетчика 15, по которому запрещается дальнейший счет импульсов, что соответствует состоянию извещателя “ПОЖАР”. При наличии высокого потенциального уровня на старшем разряде двоичного счетчика 15 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. В этом состоянии значительно уменьшается потребление тока тактовым генератором 13, усилителем 10 и другими элементами схемы, в то же время благодаря току, протекающему через формирователь 5 сигнала регистрации дыма, резко уменьшается разность потенциалов между клеммами 2 и 3. Если это падение напряжения превышает минимальное значение рабочего напряжения, то извещатель находится в состоянии “ПОЖАР” бесконечно долго. Вывести извещатель из этого состояния возможно только отключением напряжения питания шлейфа пожарной сигнализации на время, достаточное для разряда накопительного конденсатора 7 до величины, при которой на выходе схемы 12 сброса по напряжению питания установится низкий потенциальный уровень.

Предлагаемый извещатель изготавливается с использованием серийно выпускаемых промышленностью элементов и характеризуется более высокой надежностью по сравнению с известными аналогичными извещателями.

Формула изобретения

Дымовой пожарный извещатель, содержащий элемент односторонней проводимости, вход которого соединен с первой клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации, а выход соединен с первым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма и входом токоограничительного элемента, выход которого подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод которого соединен с общей шиной, со второй клеммой для подключения к шлейфу пожарной сигнализации и со вторым выводом электропитания формирователя сигнала регистрации дыма, выход которого подключен к индикатору, а вход – к выходу двоичного счетчика, к С-входу этого счетчика и к первому входу тактового генератора, первый выход которого подключен к V-входу двоичного счетчика и первому входу схемы сравнения, выход которой соединен с R-входом двоичного счетчика, второй вход схемы сравнения подключен к выходу усилителя, а третий вход – к выходу схемы сброса по напряжению питания, ко входам усилителя подключен фотодиод, оптически связанный через камеру со светопоглощающими стенками с инфракрасным излучателем, подключенным к выходу токового ключа, первый вывод питания которого соединен с первым выводом конденсатора и входом интегратора, выход которого подключен к первому выводу питания усилителя, второй вывод питания которого соединен со вторым выводом питания токового ключа и общей шиной, отличающийся тем, что извещатель дополнительно содержит фильтр высоких частот, выход которого подключен ко входу токового ключа, а вход – ко второму выходу тактового генератора, второй вход которого подключен к выходу схемы сброса по напряжению питания, выводы питания которой соединены с соответствующими выводами питания усилителя, тактового генератора, двоичного счетчика и схемы сравнения.

РИСУНКИ