Взрывозащищенный пожарный тепловой извещатель на основе кабельной термопары ИП 102-1В

В основе любого пожарного извещателя по НПБ 85-2000 находиться чувствительный элемент, преобразующий температуру окружающей среды в другую физическую величину. Полученная новая физическая величина должна быть удобна для дальнейших преобразований и восприятий другими узлами извещателя.

Кроме того время преобразования температуры в другую физическую величину у пожарного извещателя должно быть как можно меньше, а многократное преобразование должно быть одним и тем же в течении длительного времени.

Говоря техническим языком чувствительный элемент извещателя должен быть малоинерционен и стабилен во времени при воздействии внешних влияющих факторов (температуры, вибрации и ударов радиации, влажности и т.п.)

Удобным для дальнейшего преобразования температуры является электрический сигнал, т.к. современная электроника позволяет произвести практически любую его обработку и реализовать пожарный извещатель с любой по НПБ 85-2000 реакцией на повышение температуры: максимальной, максимально-дифференциальной и с дифференциальной характеристикой.

Наиболее хорошо изученными и широко применяемыми чувствительными элементами преобразующими температуру в электрический сигнал являются термоэлектрические преобразователи (термопары) по ГОСТ 8.585-2001 и термометры сопротивления по ГОСТ 6651-94.

В целом можно утверждать, что термопары менее инерционны, и имеют более широкий диапазон измерения (до 1600°С), а термометры сопротивления более точны.

В первых электрический сигнал формируется на основе эффекта Зеебека, а во вторых изменение электрического сигнала от температуры происходит вследствие изменения омического сопротивления медной, никелевой или платиновой проволоки.

Десятками тысяч ученых и эксплуатационников на протяжении столетий проводились исследования этих чувствительных элементов, разрабатывались и совершенствовались новые и новые конструкции. Одной из удачных конструкций термопары можно назвать кабельную термопару по ГОСТ 23847-79. Потребность в ее создании была обусловлена задачами атомной энергетики, где требовалась высокая стабильность термопреобразователя на длительном (до 30 лет) промежутке времени и малое (1-3 секунды) время реакции на изменение температуры теплоносителя.

В настоящей статье рассматривается опыт Волгодонского ЗАО НПК «Эталон» создания теплового пожарного извещателя с широкими функциональными возможностями на основе высокотехнологичной кабельной термопары.

Основу термопары составляет термопарный кабель. Это гибкая металлическая труба из нержавеющей стали диаметром от 1,0 до 6,0 мм, в которой размещены одна или две пары термоэлектродов. Пространство вокруг термоэлектродами и трубой заполнено сильно уплотненной мелкодисперсной минеральной изоляцией на основе MgO. Высокая плотность заполнения минеральной изоляции обусловлена технологией изготовления кабеля, включающей многократное протягивание через фильеры трубы диаметром 20 мм, предварительно заполненной термоэлектродами и изоляцией.. Такой кабель за счет высокой плотности заполнения выдерживает изгибы вокруг цилиндра большим в 5 раз, чем его диаметр, имеет высокую стабильность во времени, т. к. доступ вредных газов и примесей к поверхности термоэлектродов плотно закрыт.

Сварка термоэлектродов и приварки донышка такой термопары производиться на лазерных установках типа «Квант-15», контроль качества сварки проводится гелием или азотом, а также рентгенографическим контролем.

Конструктивно извещатель состоит из кабельной термопары и корпуса.

Кабельная термопара имеет диаметр 3,0 мм, что позволяет изгибать ее при монтаже и эксплуатации диаметром от 15 мм и выше. Оболочка термопары выполнена из жаропрочной (до 800 0С) и коррозионостойкой стали марки 12Х18Н10Т.

Длина кабельной термопары оговаривается при заказе и может составлять от 0,5 до 50 метров. Это позволяет вынести корпус извещателя за пределы объемов, где температура может повышаться свыше 70 0С (кратковременно до 85 0С), что обусловлено техническими характеристиками современной элементной базы электроники. Внешний вид нержавеющей «проволоки» диаметром 3,0 мм эстетичен и позволяет решать проблемы интерьера помещения. Маркировка по взрывозащите извещателя 1ExdibIIВТ6. Наличие в маркировке «ib» искрозащиты вызвано требованиями ГОСТ Р 51330.9 – 99 к возможным механическим повреждением (удара топором) тонкой кабельной термопары в процессе эксплуатации. Блок искрозащиты находиться в корпусе извещателя, при этом проектантам и эксплуатационникам не нужно определять емкость и индуктивность соединительных линий как при работе с прибором с видом взрывозащиты «искробезопасная цепь», а работать как с прибором с видом взрывозащиты «взрывонепронецаемая оболочка».

Рис.1 Функционалная электрическая схема извещателя ИП-102-1В

В – кабельная термопара;
"d" – взрывозащищённая оболочка;
А1 – блок искрозащиты;
DA1 – стабилизатор напряжения;
DA2 - операционный усилитель;
t° - интегральный датчик температуры;
MSP430F1101 – контроллер;
VD – диодный мост;
R – добавочный резистор.

Функциональная схема извещателя ИП102-1В показана на рис. 1.

Напряжение питания поступает на диодный мост VD, что позволяет питать электрическую схему извещателя как постоянным, так и знакопеременным напряжением. Напряжение с диодного моста VD поступает на стабилизатор DA1, напряжением с которого питается вся остальная схема (кроме электронного ключа).

Термо-э.д.с. кабельной термопары В проходит через блок искрозащиты А1 и усиливается прецизионным малопотребляющим усилителем DA2. Напряжение с усилителя DA2 поступает на вход 10-ти битного АЦП контроллера MSP430F1101.

Для компенсации температуры "холодного спая" кабельной термопары в схеме извещателя установлен интегральный датчик температуры t° , напряжение с которого также поступает на вход 10-ти битного АЦП контроллера MSP430F1101.

Программа котроллера MSP430F1101 производит измерения напряжения с усилителя DA2 и датчика температуры t° 1 раз в секунду с последующими вычислениями за 30 мс, в остальное время контроллер находится в "спящем "режиме, что позволяет обеспечивать ток потребления извещателя в дежурном режиме не более 0,1 мА.

Температура срабатывания и функция извещателя (максимальный, максимально-дифференциальный или с дифференциальной характеристикой) устанавливаются программным путём в процессе производства.

При достижении температуры срабатывания или превышении допустимой скорости нагрева на кабельной термопаре В замыкается бесконтактный электронный ключ, и ток через извещатель скачком повышается до 2…7 мА, при этом с частотой 0,5…2 Гц мигает красный светодиод, установленный на корпусе извещателя.. Отключить сработавший извещатель можно только переключением напряжения питания.

Ток через извещатель в режиме срабатывания ключа регулируется добавочным резистором на клеммной колодке Извещателя. Резистор устанавливается потребителем.

Сопротивление резистора выбирается по формуле R =(Uпит – 0,33 х I ) I,
где R, кОм – регулировочный резистор типа С1-0,125;
Uпит, В– напряжение питания в шлейфе
I, мА – среднее значение тока в шлейфе приёмо-контрольного устройства при срабатывании одного параллельно-включённого Извещателя (например, 2 мА).

Рис.2 Электрическая схема включения извещателей ИП102-1В в шлейф пожарной сигнализации (двухпроводная линия)

Резистор R устанавливается потребителем (при поставке R= 4,3…4,7 кОм)

Правый извещатель включен в режим оконечного прибора. Vо, Rо – элементы оконечной цепи (устанавливаются потребителем).

Конструктивно извещатели выпускаются в алюминиевом и нержавеющем корпусе, что обеспечивает работу извещателя в атмосфере типа II и IV по ГОСТ 15150-69 соответственно. Крепление извещателя на объекте контроля осуществляется на кронштейне посредством резьбовой гайки М 30х1,5, имеется вариант исполнения извещателя в нержавеющем корпусе с настенным креплением. Извещатель имеет два патрубка под кабельные вводы различного исполнения: для открытой прокладки кабеля, под бронированный кабель и под трубную разводку с резьбой G 1/2 и G 3/4 . В комплект каждого кабельного ввода входят резиновые уплотнения для диаметра кабеля по поясной изоляции от 8 до 14 мм.

Извещатель ИП102-1В сертифицирован (сертификат пожарной безопасности №ССПБ. RU. УП001.В04854) и может по заказу потребителя быть изготовлен любого класса в соответствии с таблицей 1. Имеется техническая возможность изготовления подобных извещателей на более высокую температуру, вплоть до 1200°С.

ИП 102 -1В выпускаются с приемкой ОТК, а также под техническим наблюдением Российского морского регистра судоходства. Извещатели с шифром МР предназначены для эксплуатации на кораблях, морских судах с неограниченным районом плавания и речных судах и удовлетворяют требованиям «Правил классификации и постройки морских судов» Российского морского регистра.

Ведется разработка на базе ИП 102-1В адресных извещателей с последовательным интерфейсом RS-485 для передачи данных о своем состоянии внешним устройствам.

Таблица 1 – Обозначение классов Извещателя ИП102-1В

>