Дымовые оптико-электронные точечные пожарные извещатели. Основные схемные решения. Часть 1.2. Блок-схемы
Продолжая тему, начало которой было положено в [1], необходимо отметить, что амплитудное детектирование сигнала на выходе усилителя фото-ЭДС является необходимым, но не достаточным условием достоверного выявления задымленности пространства с заданной удельной оптической плотностью воздуха. В условиях работы со значительным уровнем электромагнитных помех амплитуда импульсов регулярной помехи на выходе усилителя может превышать пороговое значение напряжения переключения компаратора. Тогда возможен ложный переход извещателя в состояние пожарной тревоги даже при чистом воздухе. Улучшить работу извещателя в условиях электромагнитных помех может принцип синхронного детектирования. В радиотехнике синхронное детектирование используется не один десяток лет. Синхронное детектирование основано на операции умножения гармонических высокочастотных сигналов с последующей низкочастотной фильтрацией [2]. Принцип синхронного детектирования сигналов использовался в самых первых дымовых пожарных извещателях отечественного производства, принципиальные схемы которых раскрыты в книге д. т. н. Ф. И. Шаровара [3]. Так в дымовом пожарном извещателе ДИП-1, блок-схема которого представлена на рис. 1, используется одновременно и амплитудный и синхронный детектор 6. Исследуемый сигнал поступает с выхода усилителя 5, а опорный сигнал с резистора R 26, на котором выделяются импульсы тока через ИК светодиод 3.
Рис. 1 Где:
Обозначение остальных элементов соответствует рис. 2.8 [3]. Электропитание всех функциональных блоков осуществляется от стабилизатора напряжения, выполненного на стабилитроне VD1 и резисторе R9. Блок-схема амплитудного и синхронного детектора 6 представлена на рис. 2.
Рис. 2 Работа этого узла подробно описана на основе принципиальной схемы в [3] и [4]. Однако при такой схеме обработки сигнала извещатель не имел памяти сработки. Если по каким-то причинам уровень сигнала на выходе усилителя мог уменьшиться, то на выходе низкочастотного фильтра начинало падать напряжение, пока не произойдет переключение блока выходного каскада в исходное состояние. При подключении к одному шлейфу пожарной сигнализации нескольких ДИП-1 нельзя было определить, какой конкретно извещатель подал на прибор приемно-контрольный сигнал пожарной тревоги. Этот недостаток был устранен в извещателе ДИП-2, блок-схема которого представлена на рис. 3.
Рис. 3 Где:
Обозначение остальных элементов соответствует рис. 2.13 [3]. Электропитание извещателя уже осуществлялось через ограничитель (стабилизатор) тока на двух транзисторах [5]. Стабилитрон VD5 обеспечивал стабилизацию амплитуды импульсов на выходе генератора. Электропитание усилителя осуществлялось через отдельный выпрямитель на диоде VD2 и конденсаторе С1. В этом изделии амплитудный и синхронный детектор был выполнен особым образом: к выходу умножителя был подключен не низкочастотный фильтр, а бистабильный элемент (триггер). Блок-схема этого узла представлена на рис. 4.
Рис. 4 Именно благодаря использованию бистабильного элемента ДИП-2 сохранял состояние пожарной тревоги даже после прекращения воздействия задымленности пространства, в котором находится извещатель. В конце 80 годов прошлого века на нескольких предприятиях в разных регионах страны начал производиться пожарный извещатель ИП212-5. Изделие содержало две логические микросхемы К561 ИЕ11 и К561ЛЕ5 и операционный усилитель КР1407 УД2. Схема устройства была приведена в паспорте на это изделие, а также в книге под редакцией к. т. н. В. И. Фомина [6]. Блок-схема этого извещателя представлена на рис. 5. Работает это устройство следующим образом. При включении питающего напряжения схема сброса устанавливает реверсивный двоичный счетчик в нулевое состояние. По положительным перепадам сигнала на С-входе этого счетчика происходит его переключение в следующее состояние в зависимости от уровня сигнала на его входе ±1. При низком уровне сигнала на входе ±1 счетчик работает в вычитающем режиме. Когда он досчитает до нуля, то сигналом переноса С0 заблокируется счетный вход С.
Рис. 5 Где:
Как только появится уровень логической 1 на входе ±1, то сразу же на выходе переноса С0 установится высокий потенциальный уровень сигнала. Реверсивный двоичный счетчик будет считать в прямом направлении. В момент появления логической 1 на выходе 4 становится активным блок выходного каскада и загорается индикатор состояния. В этом состоянии пожарной тревоги реверсивный двоичный счетчик может находиться достаточно долго, пока отключением питающего напряжения и последующим включением будет осуществлена установка этого счетчика в исходное состояние. В этом изделии перемножение импульсного сигнала опорной частоты входного сигнала будет осуществляться на входах ±1 и С реверсивного двоичного счетчика. Амплитудное детектирование осуществлялось элементом ИЛИ 10, который был выполнен на транзисторе VT1(см. принципиальную электрическую схему в [6]). Низкочастотную фильтрацию выполнял реверсивный двоичный счетчик. Выход второго разряда реверсивного двоичного счетчика являлся и выходом синхронного детектора. Именно с этого выхода осуществлялось управление блоком выходного каскада, запрет работы генератора импульсов и запрет дальнейшего счета импульсов самим счетчиком. Таким образом, в извещателе ИП 212-5 образца середины 80 годов синхронный детектор был реализован на реверсивном двоичном счетчике. В середине 90-х годов была проведена модернизация схемы дымового пожарного извещателя ИП 212-5. Логический автомат ИП212-5М был выполнен на двух логических микросхемах: К561ТЛ2 и К561ИЕ10. Принципиальную электрическую схему этого извещателя можно найти в статье автора [7]. Блок-схема ИП212-5М представлена на рис. 6.
Рис. 6 Где:
Фотоприемник, излучатель и блок выходного каскада были выполнены на основе типовых решений. Оригинальным в изделии было построение синхронного детектора. Схема синхронного детектора, который использовался в этом извещателе, приведена на рис. 7. Обозначение элементов на этом рисунке соответствует схеме электрической принципиальной извещателя ИП212-5М. Синхронный детектор содержит:
На первом элементе DD1.1 выполняется функция умножения опорного и исследуемого сигналов, а на двоичном счетчике DD2.1 – функция низкочастотной фильтрации – подсчета количества импульсов. С помощью интегратора осуществлялась задержка переднего фронта тактового импульса генератора, так как из-за низкого быстродействия усилителя импульс на его выходе при задымленности пространства задерживался на несколько десятков микросекунд. При условии логического умножения импульсов опорного частотного сигнала с импульсами, поступающими с выхода усилителя, будут оцениваться только истинные сигналы, вызванные рассеиванием ИК излучения в камере дымового сенсора. Шумовые сигналы, появляющиеся на выходе усилителя фотоприемника в любое другое время периода генератора импульсов, будут всегда сбрасывать двоичный счетчик и он никогда не досчитает до четырех, чтобы стал активным его выход Q2 (OUT).
Рис. 7 Появившийся в конце прошлого века на российском рынке компонентов систем пожарной сигнализации дымовой пожарный извещатель ИП 212-41М практически повторял блок-схему извещателя ИП212-5М. Главным отличием было небольшое изменение в схеме синхронного детектора, в котором задержка переднего фронта импульса была заменена дифференцированием заднего фронта импульса генератора. Были изменены только связи между элементами синхронного детектора без добавления и без изъятия каких либо элементов. Схема синхронного детектора, который применялся в извещателе ИП 212-41М, представлена на рис.8. Принципиальная электрическая схема этого извещателя приведена в патенте на изобретение Российской Федерации № 2221278 [8]. Обозначения элементов на схеме синхронного детектора соответствует принципиальной схеме извещателя ИП 212-41М.
Рис. 8 Так как представленный извещатель содержал малое количество элементов и был одним из самых дешевых пожарных дымовых точечных извещателей, то много запатентованных технических решений использовали ИП 212-41М в качестве прототипа. Так в патентах Украины № 75528 [9] и Российской Федерации № 2273886 [10] на изобретения приведена блок-схема пожарного извещателя, которая представлена на рис. 9.
Рис. 9 Где:
Главным отличием этой блок-схемы от прототипа является наличие второго интегратора 24 между выходом усилителя 10 и компаратором на триггере Шмитта 22, причем второй вход этого триггера Шмитта 22 подключен на шину питания 18 через второй резистор 25. Использование вновь введенных элементов: второго интегратора 24 и резистора 25, а также новых связей между элементами дымового пожарного извещателя позволило повысить стабильность чувствительности извещателя, что было подтверждено соответствующими расчетами и испытаниями. Представленная на рис.10 блок-схема пожарного извещателя была защищена патентами Украины № 75532 [11] и России № 2273887 [12], хотя отличие от прототипа – извещателя ИП212-41М – было только в одном втором резисторе 23.
Рис. 10 Где:
Использование вновь введенного второго резистора 23, с его связями и соотношением сопротивления этого второго резистора 23 к сопротивлению первого резистора 16 и к внутреннему сопротивлению выхода логического элемента и внутреннему сопротивлению открытого диода позволило повысить стабильность чувствительности извещателя от изделия к изделию. Следующее техническое решение, представленное на рис. 11, было также патентами Украины № 9400 [13] и России № 48658 [14] на полезные модели. Особенностью этой схемы является то, что генератор имеет три не связанных между собой выхода. Каждый из этих выходов управляет своими элементами, обеспечивая необходимую длительность импульса, а также сдвиг фаз сигналов друг относительно друга.
Рис. 11 Где:
Нераскрытая на рис. 11 схема сравнения 16 совместно с узлом сброса и двоичным счетчиком выполняет функцию синхронного детектора аналогично схемам, представленным на рис. 7 и 8. Для повышения достоверности информации получаемой от дымового сенсора, как этого требует классическая литература, в частности [15], необходимо уменьшать импеданс входной цепи усилителя и сужать усиливаемую полосу частот. Именно этим задачам были посвящены патенты на полезные модели Украины № 9923 [16] и Российской Федерации № 54450 [17]. Блок-схема, соответствующая этим критериям, представлена на рис. 12. Обозначение элементов, кроме 19 и 20, соответствует обозначениям элементам, представленных к предыдущему рисунку.
Рис. 12 Где: 19 – фильтр высоких частот; 20 - резистор. Фотовольтатическое включение фотодиода 11 [18] позволяет выделить на резисторе 20 нагрузки фото-ЭДС в моменты рассеивания ИК излучения в камере дымового сенсора, а в остальное время не принимать электромагнитные помехи от различных источников из-за малого импеданса этой цепи. Фильтр высоких частот разрешает проводить усиление импульсов только определенной длительности, что позволяет существенно снизить влияние наводимых помех от сети переменного тока, а также подсветки от естественного источника света. Ведь попадание прямых лучей солнечного света на извещатель может вызвать воздействие на фотодиод даже через черную камеру дымового сенсора. Появление значительного количества патентов, в которых прототипом был выбран извещатель ИП 212-41М, было вызвано судебным процессом по интеллектуальной собственности. Этот процесс был возбужден в 2004 году обладателем патента RU 2221278 против извещателя ИПД-3.1, в котором выше перечисленные украинские и российские патенты использовались. Литература:
|
