устройство и способ обнаружения пламени с помощью детекторов

Формула изобретения

1. Устройство для обнаружения пламени посредством детекторов, которые с помощью предвключенных фильтров регистрируют соответственно разные диапазоны длин волн, содержащее подключенные за детекторами устройства обработки данных для анализа сигналов детекторов, отличающееся тем, что

по меньшей мере два идентичных детектора (1, 2, 3) установлены рядом друг с другом, при этом

каждый детектор (1, 2, 3) снабжен идентичной системой обработки сигналов, а также симметричной и одинаковой компоновкой, причем идентичная обработка сигналов производится с помощью усилителей (4) и/или аналого-цифровых преобразователей (5), при этом

устройство выполнено с возможностью одновременной и синхронной регистрации сигналов для обеспечения анализа полученного излучения (12, 21) посредством алгоритма и независимо от помех, в частности посредством анализа соотношения сигналов.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предусмотрены три инфракрасных детектора, причем первый детектор (1) регистрирует диапазон (16) длин волн с длинами волн, большими, чем у пламени, второй детектор (2) регистрирует длину волны (17), типичную для пламени, а третий детектор (3) - диапазон (18) длин волн с длинами волн, меньшими, чем у пламени.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предвключенные фильтры (7, 8, 9) в отношении диапазонов (16, 17, 18) длин волн не имеют перекрытий в диапазонах угла видимости и окружающих температур.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что впереди детекторов (1, 2, 3) с фильтрами (7, 9) установлено окно (11).

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что каждый детектор (1, 2, 3) контролируется отдельным источником (19) излучения на работоспособность и видимость.

6. Устройство по п.п.1-5, отличающееся тем, что блок (6) микроконтроллера обеспечивает синхронное управление и обработку сигналов, а также энергосберегающий режим.

7. Устройство по одному из пп.1-5, отличающееся тем, что в детектор (1, 2, 3) встроен предварительный усилитель (4) сигналов.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в детектор (1, 2, 3) встроен аналого-цифровой преобразователь (5).

9. Способ исключения помех при обнаружении пламени устройством по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что

одновременно и синхронно регистрируют по меньшей мере два сигнала различных диапазонов (16, 17, 18) длин волн излучения (12) возможного пожара по меньшей мере двух установленных рядом друг с другом идентичных детекторов (1, 2, 3), а

обработку сигналов в идентичных схемах обработки сигналов, включающих усилители и/или аналого-цифровые преобразователи, осуществляют посредством симметричной и одинаковой компоновки, причем

регистрацию сигналов всех детекторов осуществляют одновременно и синхронно,

причем одинаковые помехи, накладываемые на отдельные сигналы отдельных детекторов о появлении пламени, исключают посредством алгоритмов, в частности посредством анализа соотношения сигналов.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что сканирование сигналов детекторов (1, 2, 3) осуществляют синхронно с помощью микроконтроллера (6).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству для обнаружения пламени с помощью детекторов согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения и к способу обнаружения пламени с помощью детекторов согласно признакам пункта 10 формулы изобретения.

Изобретение применимо повсюду там, где необходимо надежное распознание пламени независимо от таких помех со стороны внешних воздействий, как окружающая температура, паразитные излучения или угол обзора блока регистрации или обнаружения.

Для обнаружения пламени с помощью устройств аварийной сигнализации и пожаротушения известны регистрация длины волны пламени с помощью детектора, ее преобразование в электрический сигнал и передача последнего в последовательно подключенное устройство обработки данных для анализа сигнала детектора.

Из ЕР 0926647 В1 вытекает способ обнаружения пламени для распознания пожара в контролируемой области, при котором применяются датчики, реагирующие на излучение в пределах ширины полосы. Анализа зависимости от угла и температуры не производится. Не предусмотрено, чтобы при минимальной/максимальной температуре и при максимальном угле падения три диапазона длин волн не могли перекрываться. Применяется кросс-корреляция. В настоящем изобретении благодаря одновременному сканированию сигналов и симметричному выполнению устройства в этом нет необходимости.

В АТ 381406 В и СН000000628171 А показано аналогичное устройство, в котором используются лишь два датчика и с помощью аппаратной схемы, шунта, отфильтровывается частота положения. Анализа угловой зависимости не делается. Никакой цифровой обработки сигналов с помощью микроконтроллера не описано.

В DE 102008024496 А1 описано устройство для обнаружения пламени, в котором используются два датчика. Это устройство также не в состоянии учитывать угловую зависимость. Не происходит также никакой цифровой обработки сигналов с помощью микроконтроллера.

В DE 3140678 А1 описан инфракрасный (ИК) пожарный извещатель с тремя ИК-датчиками. Минимизация ложных сигналов решается лишь путем диафрагмирования ИК-излучения источников в диапазоне 2-5 мкм, не представляющих собой никакого пламени. Не описано никаких решений, использующих идентичные детекторы с идентичной обработкой данных для простого исключения помех. Недостаток этого решения состоит в том, что электромагнитное излучение, например, в диапазоне частот МГц и ГГц, которое после датчиков может также подаваться в электронную схему, может вызвать ложный сигнал тревоги. Не описано никаких решений, которые могли бы предотвратить такие ложные сигналы тревоги.

В US 4233596 А описан инфракрасный измерительный прибор с двумя ИК-датчиками с разными длинами волн для выявления черного дыма в полезном (маячном) огне. Недостаток заключается в том, что это решение не может быть использовано для сведенного до минимума ложного распознания тревоги при случайно возникшем пламени во время горения.

Проблемой в известных устройствах для обнаружения пламени является то, что в результате помех со стороны внешних воздействий, как-то: окружающая температура, паразитные излучения, например, при солнечном излучении или в связи с углом обзора, с которым установлено устройство опознавания, случаются искажения зарегистрированных длин волн обнаружения, так что в результате ложной тревоги могло бы произойти срабатывание устройства аварийной сигнализации или противопожарного устройства. Другая проблема заключается в том, что в известных устройствах для частичной компенсации этих помех необходимы трудоемкие методы расчета и длительные циклы измерений. С этим связаны большое энергопотребление и длительное время реакции при распознании пламени.

В US 2005/195086 A1 описан пожарный ИК-извещатель с тремя различными приемными ИК-элементами. Сигналы детектора поступают последовательно прямо в процессор. В результате отсутствует возможность одновременного синхронного приема сигналов. Нет описания возможности применения идентичных детекторов с идентичной обработкой сигналов для исключения помех, вызывающих ложную тревогу. В частности, описание того, что сигналы детекторов последовательно поступают прямо в процессор, показывает, что возможность одновременного синхронного приема сигналов отсутствует.

Задачей изобретения является разработка устройства и способа, при котором результат обнаружения не искажался бы или искажался очень мало под действием таких помех со стороны внешних воздействий, как окружающая температура, паразитные излучения, угол видимости, и при котором обработка сигналов осуществлялась бы просто и в режиме энергосбережения, а время реакции для обнаружения пламени было бы сокращено.

Эта задача решается с помощью устройства для обнаружения пламени посредством детектора с последовательным подключением устройства обработки данных для анализа сигнала детектора в соответствии с признаками пункта 1 формулы изобретения и с помощью способа обнаружения пламени согласно пункту 19 формулы изобретения.

В зависимых пунктах формулы изобретения показаны предпочтительные варианты выполнения изобретения.

Устройство для обнаружения пламени посредством детектора с последовательно подключенным устройством обработки данных для анализа сигналов детектора содержит по меньшей мере два идентичных детектора, установленных рядом друг с другом. Важно, чтобы детекторы были идентичными. Каждый детектор снабжен системой идентичной обработки данных и аналогичной симметричной компоновкой. При обработке сигналов речь идет об усилителе и аналого-цифровом преобразователе. Каждый из детекторов расположен за предвключенным фильтром, причем фильтры отфильтровывают различные диапазоны длин волн. Усилители встроены в датчики. Таким образом, сигнал усиливается непосредственно в источнике. Поэтому воздействия электромагнитного излучения минимизируются и не нуждаются в гашении с помощью сложных алгоритмов. На этом основании возможна интеграция аналого-цифровых преобразователей с датчиками.

Регистрация сигналов должна происходить одновременно и синхронно, так чтобы точный анализ полученного излучения был возможен с помощью простых алгоритмов независимо от помех со стороны внешних воздействий. Поскольку все отдельные сигналы всех отдельных детекторов подвержены воздействию одной и той же помехи, эти помехи могут исключаться с помощью простого алгоритма. Поэтому область значений сигналов не ограничена. Таким образом, критерии аварийной сигнализации могут быть рассчитаны из большого количества значений.

Предпочтительно использовать три инфракрасных детектора, причем первый детектор охватывает диапазон длин волн, больших длины волны пламени, второй детектор - типичную длину волны пламени, а третий детектор - диапазон длин волн, меньших длины волны пламени.

Кроме того, важно, чтобы предвключенные фильтры в отношении диапазонов длин волн не допускали перекрытия в видимом диапазоне и диапазоне окружающих температур.

Кроме того, впереди детекторов и фильтров предпочтительно устраивать окно.

Кроме того, предпочтительно, чтобы каждый детектор с помощью отдельного источника излучения контролировался на предмет работоспособности и видимости. Соответствующие меры известны техническим специалистам. Для этого могут быть использованы источники излучения с заданным диапазоном длин волн фильтров или отражательные элементы.

Кроме того, предпочтительно, чтобы блок микроконтроллера обеспечивал синхронное управление обработкой сигналов и тем самым энергосберегающий режим.

В результате применения одинаковых детекторов и одинаковой обработки данных, а также симметричного и однотипного формирования разводки токопроводящих дорожек, топологии компоновки (или схемной разводки), а также синхронного управления приемом сигналов обеспечивается сходство помех, как, например, электромагнитного излучения, во всех оптических приемных каналах. Эти однотипные помехи могут очень быстро и эффективно компенсироваться без сложных алгоритмов, как, например, кросс-корреляция.

Кроме того, отпадают методы вычислений, требующие затрат и времени, поскольку все сигналы принимаются синхронно, то есть одновременно.

Быстрое обнаружение пламени часто является решающим фактором для управления противопожарными установками и минимизирует ущерб от пожара. Энергосберегающая схема важна для систем пожарной сигнализации, снабжаемых, как правило, аварийным током от аккумуляторов.

Ниже изобретение более подробно поясняется на примере выполнения со ссылкой на фигуры, на которых:

Фиг.1 изображает схематически устройство для обнаружения пламени согласно изобретению,

Фиг.2 - схематически устройство для обнаружения пламени согласно изобретению с аналого-цифровыми преобразователями, встроенными в детекторы,

Фиг.3 - характеристики пропускания фильтров без смещения волн,

Фиг.4 - характеристики пропускания фильтров с максимальным отрицательным смещением волн,

Фиг.5 - характеристики пропускания фильтров с максимальным положительным смещением волн.

На Фиг.1 изображено излучение 12, падающее на устройство согласно изобретению (пожарный извещатель 20), в котором детекторы 1, 2 и 3 установлены рядом или друг над другом. Впереди трех детекторов 1, 2, 3 включены фильтры 7, 8, 9. Перед фильтрами 7, 8, 9 на пожарном извещателе 20 установлено окно 11. Каждый фильтр 7, 8, 9 отфильтровывает перед соответствующим детектором 1, 2, 3 определенную полосу частот. Усилитель, 4, встроенный в детекторы, усиливает сигнал детекторов. Этот сигнал одновременно сканируется аналого-цифровыми преобразователями 5 и через соответствующие последовательно установленные интерфейсы 13 передается в микроконтроллер 6. По сигналам отдельных детекторов 1, 2, 3 с исключением помех вычисляется аварийный сигнал и при необходимости объявляется тревога. Возможное загрязнение оптического окна 20 или дефект детекторов 1, 2, 3 обнаруживаются с помощью источников 19 излучения внутри пожарного извещателя 20 и с помощью отражателей 22 за его пределами. Источники 19 излучения испускают излучение 21 в диапазоне длин волн соответствующего фильтра 7, которое отражается отражателями 22 и поступает через оптическое окно в детекторы 1, 2, 3.

На Фиг.2 показано схожее изображение с той лишь разницей, что в детекторы 1, 2, 3 встроены аналого-цифровые преобразователи 5.

На Фиг.3-5 показаны характеристики пропускания фильтров, причем пропускание 14 изображено в зависимости от длины волны. Каждый детектор 1, 2, 3 с помощью включенного впереди него фильтра фиксирует длины волн, причем на Фиг.4 и 5 изображены максимальные отрицательные и максимальные положительные смещения длин волн при различных углах падения излучения. Первый диапазон длин волн (кривая 16) соответствует полосе пропускания фильтра 7 в диапазоне длин волн, меньших, чем у пламени. Средний диапазон длин волн (кривая 17) соответствует полосе пропускания фильтра 8 в диапазоне длин волн ожидаемого пламени. Правый диапазон длин волн (кривая 18) соответствует полосе пропускания фильтра 9 в диапазоне длин волн, больших, чем у ожидаемого пламени. Между диапазонами 16, 17, 18 длин волн находится область 10, в которой имеет место весьма незначительное перекрытие диапазонов.

При этом длиной волны, используемой для обнаружения пламени, является средняя длина 17 волны, в то время как вторая длина волны выбирается в диапазоне 16 меньших длин волн или в диапазоне 18 больших длин волн. В идеале длина 17 волны для обнаружения пламени в случае пожаров с выделением углерода располагается в диапазоне, соответствующем полосе СО и СО₂ и минимизирующем влияние солнечного излучения. В случае пламени интенсивность сигнала в диапазонах 16, 18 длин волн, больших или меньших, чем в диапазоне средних длин волн, гораздо меньше интенсивности сигнала в диапазоне средних длин волн. Соотношение сигналов анализируется. При различных углах падения полоса пропускания фильтров 7, 8, 9 изменяется. Для обеспечения возможности анализа соотношения сигналов полосы пропускания фильтров 7, 8, 9 при различных температурах и различных углах падения не должны перекрываться, а реально могут перекрываться лишь незначительно.