Терморезистивні теплові пожежні сповіщувачі з покрашеними характеристиками та методи їх температурних випробувань

Размещено на http://www.allbest.ru/

АКАДЕМІЯ ЦИВІЛЬНОГО ЗАХИСТУ УКРАЇНИ

УДК 614.84

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ТЕРМОРЕЗИСТИВНІ ТЕПЛОВІ ПОЖЕЖНІ СПОВІЩУВАЧІ З ПОКРАЩЕНИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ТА МЕТОДИ ЇХ ТЕМПЕРАТУРНИХ ВИПРОБУВАНЬ

21.06.02 - Пожежна безпека

ГВОЗДЬ ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Черкаському інституті пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля, Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій

Науковий керівник - кандидат технічних наук, доцент Тищенко Олександр Михайлович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, проректор з наукової роботи, м. Черкаси.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Алексієв Олег Павлович, Харківський національний автомобільно-дорожній університет МОН України, завідувач кафедрою мехатроніки автотранспортних засобів, м. Харків;

кандидат технічних наук, доцент Заїка Петро Іванович, Черкаський інститут пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України, начальник кафедри пожежної профілактики, м. Черкаси.

Провідна установа - Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки, МНС України, м. Київ.

Захист відбудеться “19” травня 2005 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академії цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Академії цивільного захисту України за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94.

Автореферат розісланий “18” 04 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.І. Кривцова

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність боротьби з пожежами зокрема визначається досконалістю технічних характеристик систем раннього вияву небезпечних факторів пожежі. Ступінь досконалості таких характеристик в основному визначається ступенем досконалості характеристик датчиків первинної інформації, зокрема, теплових пожежних сповіщувачів. Для побудови таких пожежних сповіщувачів використовується достатньо багата кількість фізичних принципів, однак рекомендації на користь вибору якогось з них для створення пожежного сповіщувача відсутні.

В останні 10 15 років інтенсивні дослідження в напрямку вдосконалення характеристик теплових пожежних сповіщувачів велися в ряді таких країн, як Японія, США, Германія та ін. Ця проблема розглядалася в роботах Ф.М. Шаровара, І.Ф. Бубиря, В.П. Бабурова, S. Welch, P. Rubini та ін. Суттєві результати були отримані в Україні, зокрема Абрамовим Ю.О. та представниками наукової школу, котру він очолює, Дерев'янко О.А., Перестою Ю.Ю., Карлашем С.П., Куріним Є.В. Аналіз результатів цих досліджень дозволяє зробити висновок про те, що перевагу при виборі чутливого елемента теплового пожежного сповіщувача слід віддати терморезистивному чутливому елементу. Однак, маючи на увазі, що однією з основних характеристик пожежного сповіщувача є характеристика, яка відображає ступінь його інерційності до теплових (температурних) впливів, необхідно звернути увагу на відсутність цілеспрямованих комплексних досліджень, які забезпечують підвищення їх швидкодії.

Рівень вдосконалення характеристик теплових пожежних сповіщувачів також в значній мірі визначається ефективністю системи експлуатації, однією зі складових частин яких є система контролю цих характеристик або система випробування пожежних сповіщувачів. Існуючі системи випробувань, зокрема, теплових пожежних сповіщувачів мають ряд вагомих недоліків, до числа яких слід віднести: малий ступінь автоматизації, практично повна відсутність адаптації до різних типів (за принципами їх побудови) пожежних сповіщувачів, великий час проведення випробувань, надлишковість інформації, що отримується і.т.і.

В цьому зв'язку обґрунтування можливості покращення характеристик терморезистивних теплових пожежних сповіщувачів та розробка методів їх випробування є актуальною науковою задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася в рамках Державної програми забезпечення пожежної безпеки в Україні на 2000 2010 р.р., а також в рамках держбюджетної НДР № 0101U007061 за замовленням Державного департаменту пожежної безпеки.

Мета та задачі дослідження. Метою досліджень є обґрунтування можливості покращення характеристик терморезистивних теплових пожежних сповіщувачів, а також вдосконалення методів їх температурних випробувань.

Для досягнення поставленої мети необхідно:

створити математичні моделі терморезистивних чутливих елементів (ЧЕ) теплових пожежних сповіщувачів (ТПС), які мають різну форму та котрі описують їх динамічні властивості та умови експлуатації;

обґрунтувати та обрати динамічний параметр, який характеризує швидкодію терморезистивного ЧЕ;

оцінити можливість щодо покращення характеристик ТПС з терморезистивним ЧЕ шляхом введення до їх складу структурної надлишковості;

розробити методи визначення динамічного параметру ТПС з терморезистивним ЧЕ для різних законів зміни температурних впливів;

оцінити вплив інерційності засобів виміру динамічного параметру ТПС, завад та нестаціонарності цього параметру на результат його визначення;

розробити макетний зразок ТПС з терморезистивним ЧЕ та провести експериментальні дослідження щодо оцінки адекватності їх математичного опису, а також щодо можливості покращення основних характеристик та вдосконалення методів їх визначення;

розробити алгоритм проведення температурних випробувань терморезистивних ТПС.

Об'єкт дослідження - тепловий пожежний сповіщувач як елемент системи вияву пожежі та системи його випробувань.

Предмет дослідження - процеси, які протікають у теплових пожежних сповіщувачах з терморезистивним ЧЕ, а також методи визначення їх параметрів та характеристик.

Методи дослідження: метод інтегральних перетворень для розв'язання рівнянь теплопровідності, методи теорії автоматичного управління, методи моделювання динамічних систем, методи аналізу випадкових процесів, а також математичної статистики, методи ідентифікації та прогнозування.

Наукова новизна отриманих результатів полягає у наступному:

- вперше з використанням створених математичних моделей, що належать до класу передаточних функцій, обґрунтовано вибір форми та параметрів терморезистивних чутливих елементів ТПС, а також вирішена задача синтезу структурної надлишковості, що забезпечує підвищення швидкодії ТПС, а також розширення їх функціональних властивостей;

вперше обґрунтована необхідність в ідентифікації постійних часу терморезистивних ТПС або їх чутливих елементів та розроблені методи їх ідентифікації, основані на використанні температурних впливів, які мають ступінчатий, імпульсний або лінійнозростаючий закони зміни у часі, та які враховують вплив інерційності засобів вимірювання, завад та нестаціонарності параметру, що ідентифікується;

вперше обґрунтована можливість зменшення часу вияву пожежі шляхом отримання прогнозних оцінок температури оточуючого повітря за результатами обробки вихідних сигналів терморезистивного ТПС з використанням адаптивних алгоритмів;

вперше розроблено алгоритм проведення температурних випробувань терморезистивних ТПС, який забезпечує скорочення часу цих випробувань при одночасному розширенні його функціональних можливостей.

Практичне значення отриманих результатів. Результати досліджень у вигляді математичних моделей терморезистивних ТПС та їх елементів, їх схемотехнічні рішення, алгоритмів, що забезпечують процедуру визначення динамічних параметрів ТПС, а також у вигляді алгоритмів проведення температурних випробувань пожежних сповіщувачів, є основою для синтезу терморезистивних ТПС з покрашеними характеристиками, а також для синтезу автоматизованих систем контролю технічного стану пожежних сповіщувачів такого типу.

Математичні моделі ЧЕ ТПС та пожежних сповіщувачів, а також методи визначення постійних часу та їх алгоритми впроваджені в навчальному процесі у ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля у дисципліні “Пожежна та виробнича автоматика” (акт від 14.12.04 р.).

Методи визначення постійних часу терморезистивних ТПС, а також алгоритми для їх реалізації впроваджені в випробувальній пожежній лабораторії ГУМНС у Черкаській області (акт від 24.12.04 р.), що дозволило скоротити час проведення температурних випробувань пожежних сповіщувачів на (18 20)% за рахунок скорочення однотипних видів випробувань щодо оцінки часу спрацьовування ТПС.

Математичні моделі терморезистивних ЧЕ, а також схемотехнічні рішення стосовно до ТПС впроваджені у ТОВ компанії “Інвестспецкомплекс” (м. Київ) при створенні дослідних зразків пожежних сповіщувачів з покрашеними характеристиками, що дозволило вперше для ТПС реалізувати процедуру їх повної технічної діагностики, включаючи чутливий елемент.

Особистий внесок здобувача. В роботах, які опубліковані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у розробці моделей та алгоритмів прогнозування температури оточуючого середовища з метою зниження часу вияву пожежі [1, 2], математичного опису вхідних впливів на ТПС [3, 8], а також у створенні математичних моделей, які описують динамічні процеси в ТПС [4, 7, 10, 11], розробці методів визначення динамічних параметрів ТПС [5, 9] та оцінки похибок пожежних сповіщувачів [6] . Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися та обговорювалися на: Всеукраїнській науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2001” (м. Львів, 2001), VI науково-практичній конференції “Пожежна безпека - 2003” (м. Харків, 2003), науково-технічній конференції “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп'ютеризації діяльності МНС України” (м. Харків, 2004), науково-практичній конференції “Профілактика надзвичайних ситуацій” (м. Харків, 2004), а також на науково-технічних семінарах ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля (м. Черкаси, 2001 - 2004) та постійнодіючому науково-технічному семінарі АЦЗУ (м. Харків, 2001 2004). Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 7 наукових статтях, що включені до переліку ВАК України, а також у 4 тезах доповідей науково-практичних та науково-технічних конференцій. Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та додатку. Загальний обсяг дисертації складає 181 сторінку, вона містить 30 таблиць, 49 рисунків та 99 найменувань використаних літературних джерел.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі проведений аналіз основних характеристик теплових пожежних сповіщувачів та методів їх температурних випробувань.

Показано, що серед пожежних сповіщувачів, що використовуються у системах пожежної автоматики, найбільше поширення набули ТПС, а серед сертифікованих в Україні більше половини пожежних сповіщувачів належить класу А та відносяться до сповіщувачів першого розряду. Для побудови чутливих елементів ТПС використовуються різні фізичні ефекти та явища, однак перевагу слід віддати варіанту, заснованому на використанні термоелектричного або терморезистивного ефектів.

Усі види випробувань ТПС можна розділити на стаціонарні та нестаціонарні. При проведенні випробувань першого виду використовуються стандартні вогнища TF1, TF5 та TF6 або термокамери. У другому випадку використовуються різні імітатори. При проведенні температурних випробувань ТПС здійснюється перевірка на відповідність вимогам призначення та на відповідність вимогам стійкості та міцності до зовнішніх впливів. Основним параметром, що контролюється, є час спрацьовування ТПС. У першому випадку випробування проводяться для лінійного закону зміни швидкості температури, величина якої лежить в діапазоні (0,05 0,5)С/с, а час випробувань одного сповіщувача складає близько 22 годин. У другому випадку час випробувань складає близько 14 годин.

При математичному описі температурного поля у місці встановлення ТПС найбільш широке поширення отримали зонні моделі, для побудови яких необхідно використання апріорно отриманих експериментальних даних, внаслідок чого область використання таких моделей окреслюється областю проведення експерименту.

Встановлено, що час спрацьовування ТПС максимального типу залежить від температури спрацьовування, початкової температури, у якості якої може бути максимальна нормальна, умовно нормальна температура або , а також від швидкості зміни температури та постійної часу пожежного сповіщувача. В залежності від фізичного ефекту чи явища, що використовується для побудови чутливого елементу ТПС, величина його постійної часу може знаходитись в діапазоні (8,0 100,0) с та ця величина входить до величини часу спрацьовування пожежного сповіщувача.

Величина складової похибки визначення часу спрацьовування ТПС, зумовлена зміною величини постійної часу сповіщувача, може сягати 20%.

Сформульована основна задача дослідження та розглянуті особливості її рішення. Другий розділ присвячений розробці математичних моделей терморезистивних ТПС та їх функціональних елементів.

У якості чутливих елементів використовувалися терморезистивні елементи у вигляді суцільного та полого циліндрів, а також у вигляді прямокутної пластинки. Наприклад, для чутливого елемента у вигляді полого циліндра теплові процеси описуються наступним чином

; (1)

, (2)

, (3)

де а - коефіцієнт температуропроводності; R₁, R₂ - внутрішній та зовнішній радіуси відповідно; h - відносний коефіцієнт конвективного теплообміну; , - перегрів та його початкове значення відповідно.

Для усереднених за об'ємом змінних з використанням інтегральних перетворень Ханкеля та Лапласа з (1) (3) отримано вираз для передаточної функції такого чутливого елементу, який має вигляд

, (4)

де (5)

 - постійна часу; - перший корінь трансцендентного рівняння

, (7)

- функції Беселя першого роду нульового та першого порядку та функції Беселя другого роду нульового та першого порядку відповідно.

На рис. 1 наведена залежність , де Bi - критерій Біо ().

Рис. 1. Залежність

Для умов експлуатації, які характеризуються на обох циліндричних поверхнях граничними умовами третього роду, постійна часу має такий вигляд, як і (6), але корінь ₁ визначається розв'язанням рівняння

(8)

Показано, що математичні моделі терморезистивних чутливих елементів у вигляді суцільного циліндру та у вигляді прямокутної пластини мають вигляд, аналогічний (4), динамічним параметром яких є постійна час. Цей параметр визначається радіусом R (суцільний циліндр), товщею пластинки l (прямокутна пластинка), коефіцієнтом а та корнем ₁, який є розв'язанням рівняння

(9)

для ссуцільного циліндру та

, (10)

терморезистивний пожежний сповіщувач тепловий

для прямокутної пластинки ( в залежності від умов експлуатації).

При виборі терморезистивного чутливого елементу ТПС перевагу слід віддавати такому елементу, для якого величина постійної часу мінімальна. Зокрема, чутливий елемент у вигляді полого циліндру, для якого величина відношення його наружного та внутрішнього діаметрів наближується до одиниці, а значення критерію Біо не перевищує 0,5, має постійну часу, яка у (12 35) разів та в (24 70) разів менша постійної часу чутливого елементу у вигляді суцільного циліндру або прямокутної пластинки відповідно. Це еквівалентно тому, що тонкостінний циліндричний чутливий елемент має переваги над чутливими елементами у вигляді суцільного циліндру та прямокутної пластинки за швидкодією у стільки ж разів.

Показано, що у якості датчика зйому інформації доцільно використовувати мостову вимірювальну схему на постійному струмі, а матеріал чутливого елементу ТПС вибирати з умови

, (11)

де - питомий опір; - температурний коефіцієнт опору.

Для підвищення швидкодії максимального ТПС, а також для розширення його функціональних властивостей, зокрема, для забезпечення диференційних властивостей до складу пожежного сповіщувача введено структурну надлишковість (рис. 2).

Рис. 2. Схема ТПС зі структурною зайвістю: 1 - ЧЕ; 2 - датчик зйому інформації; 3 - УПС; 4 - пристрій, що коректує ; 5 - пристрій, що вичитає

Якщо T = R₁C, K₁ = R₃(R₁ + R₂)^-1 та (R₁ + R₂)R₂^-1 >>1, то для виходів 6 та 7 передаточні функції мають відповідно вигляд

; , (12)

де K_ТПИ - коефіцієнт передачі датчика 2; Т_Т R₂C - постійна часу ТПС; Т - постійна часу чутливого елементу 1, тобто по цим виходам ТПС має властивості сповіщувача максимального і диференціального типів відповідно.

Введення структурної надлишковості забезпечує підвищення швидкодії ТПС у - разів.

В третьому розділі розроблені методи та засоби для визначення постійних часу терморезистивних ТПС.

Методи розподіляються в залежності від виду теплового впливу. Для ступінчатого впливу на ТПС розроблені методи, засновані на розрахунку інтегралів від вхідного та вихідного сигналів, на визначенні інтегрального показника якості, на використанні функцій, що модулюють, в якості яких використовуються функції Ерміта та ін. В першому випадку постійна часу ТПС визначається виразом

, (13)

де - вихідний сигнал ТПС.

На рис. 3 наведено структурну схему пристрою, в якому реалізовано цей вираз. Визначення постійної часу забезпечується на любий момент часу.



Рис. 3. Структурна схема пристрою для визначення постійної часу ТПС: 1 - формувач теплового впливу; 2 - ТПС; 3 - блок масштабування; 4 - суматор (алгебраїчний); 5 - інтегратор; 6 - дільник

У другому випадку динамічний параметр визначається виразом

, (14)

де - нормований вихідний сигнал.

На рис. 4 наведено схему пристрою для реалізації цього методу. Результати імітаційного моделювання при , Т = 0,5 с показали, що визначення постійної часу здійснюється через 2,5 с.

Рис. 4. Структурна схема пристрою для визначення постійної часу ТПС: 1 - формувач теплового впливу; 2 - ТПС; 3 - формувач одиничного сигналу; 4 - формувач нормуючого (масштабного) коефіцієнту; 5 - дільник; 6 - суматор (алгебраїчний); 7 - інтегратор

При використанні методу функцій, що модулюють, який заснований на використанні перших трьох поліномів Ерміту, вираз для Т має більш складний вигляд

, (15)

де - параметр інтегрування.

За технічною реалізацією варіант (13) є найбільш простим, причому такий пристрій є безинерційним.

Для імпульсного теплового впливу (у вигляді прямокутного імпульсу амплітудою та тривалістю Т₀) постійна часу визначається за допомогою пристрою, схема якого наведена на рис. 5, та який реалізує алгоритм виду

. (16)

Рис. 5. Структурна схема пристрою для визначення постійної часу ТПС: 1 - формувач теплового впливу; 2 - ТПС; 3, 4, 7, 8 - інтегратори; 5, 9 - дільники сигналів; 6 - перетворювач температура - струм; 10 - суматор (алгебраїчний)

На рис. 6 наведені результати імітаційного моделювання роботи такого пристрою для та при умові, що .

Рис. 6. Результат імітаційного моделювання

Аналіз показує, що час визначення параметру Т складає близько 2Т₀.

Для лінійнозростаючого у часі теплового поля запропоновано пристрій, який реалізує вимір часу запізнення між вхідним та вихідним сигналами ТПС, що у сталому режимі співпадає з величиною постійної часу ТПС.

Обґрунтована можливість визначення постійної часу ТПС типу AIR, який функціонує в режимі дифференціювання (див. рис. 2).

Розглянуто вплив інерційності засобів вимірювання на величину динамічного параметру ТПС. Інерційність таких засобів враховувалася у вигляді запізнюючої або аперіодичної ланок. У першому випадку розв'язання задачі зводиться до використання методу Ормана. В другому випадку задача розв'язана для двох варіантів вхідного сигналу ТПС. Зокрема, при ступінчатому вхідному впливі інерційність засобів вимірювання призводить до появу похибки, абсолютна величина якої визначається виразом

 (17)

(18)

Визначення параметрів а_i у відповідності з (14) або (18) викривляється завадами, що призводить до появу похибок _i. Для випадку, коли завада є стаціонарним нормальним випадковим процесом зі спектральною щільністю має місце

, (19)

де М - оператор математичного очікування; Q - інтервал інтегрування.

Аналіз свідчить про те, що перевищує як мінімум на порядок, внаслідок чого, а також з урахуванням (17) та (18), при ви значенні постійної часу ТПС необхідно враховувати інерційні властивості засобів вимірювання.

Розглянуто випадок, коли постійна часу ТПС є нестаціонарною величиною. Показано, що при вхідному сигналі терморезистивного ТПС у вигляді лінійнозростаючої у часу функції, використання пристрою, у якому реалізовано алгоритм виміру часу запізнювання між вхідним та вихідним сигналами, забезпечує визначення усередненого на фіксованому інтервалі часу значення постійної часу пожежного сповіщувача.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням макетних зразків терморезистивних ТПС, а також прогнозуванню параметрів теплового поля, у якому розташовані також пожежні сповіщувачі, та розробці алгоритмів їх температурних випробувань.

Макетний зразок терморезистивного ТПС, виконаний зі зйомним чутливим елементом зі сталі та міді, які мають форму суцільного чи полого циліндру та прямокутної пластинки. Товщина прямокутної пластинки дорівнює 1,0 мм та 1,5 мм, а циліндричні чутливі елементи виконані з зовнішніми діаметрами 2,25 та 3,75 мм. Внутрішній діаметр полого циліндричного чутливого елементу дорівнює 1,5 мм. Окрім того, до складу ТПС входять операційні підсилювачі серії КР 544. Вхідні сигнали ТПС задаються за допомогою двох термокамер.

На першому етапі досліджень визначалися температура та час спрацьовування макетних зразків. Встановлено, що математичне очікування та середньоквадратичне відхилення температури спрацьовування складає відповідно 56,3 ⁰С та 0,9 ⁰С, тобто такий ТПС відноситься до пожежних сповіщувачів типу AIR. Час спрацьовування макетних зразків визначався при значеннях швидкості зміни температури а, яка дорівнює (0,017; 0,05; 0,083; 0,167; 0,33 та 0,5) ⁰С/с. На рис. 7 у якості прикладу наведені залежності , де - час спрацьовування безинерційного ТПС (табл. 1).

На другому етапі досліджень визначались постійні часу макетних зразків. Для миттєвого закону зміни температури значення постійних часу макетних зразків визначались з використанням перехідних функцій, які реєструвалися за допомогою осцилографа Н125. Похибка визначення постійної часу для сталевих чутливих елементів склала (10,0 14,4)%, а для мідних - (12,5 15,3)%. У випадку імпульсного теплового впливу, тривалість якого складала 5 с, а амплітуда 70⁰С, та при використанні методу, основаного на визначенні різниці питомих двократних інтегралів від вхідного та вихідного сигналів, похибка визначення постійної часу макетного зразку склала (для сталевого чутливого елементу) 9,4% при а = 0,05С/с та 10,7% при а = 0,5С/с.

Таблиця 1 Час спрацьовування безинерційного ТПС, с

Швидкість зміни температури, 0С/с
0,017	0,05	0,083	0,167	0,33	0,5
1841,2	626,0	377,1	187,4	94,8	62,8

На третьому етапі визначалися час спрацьовування та постійні часу макетного зразку зі структурною надлишковостю. На рис. 8 наведено приклад щодо визначення часу спрацьовування одного з варіантів макетного зразку (суцільний циліндр, діаметр якого дорівнює 3,0 мм).

Рис. 7. Залежність для ЧЕ у вигляді полого циліндру (сталь): 1 - R₂/R₁= 1,5; 2 - R₂/R₁= 2,5

Показано, що при величині співвідношення резисторів середнє значення постійної часу такого макетного зразка складає близько 1,0 с при похибці 2,4%. При визначенні постійних часу макетних зразків ТПС типу AIR, для яких забезпечувався режим диференціювання, похибка склала (9,3 10,4)% та (8,6 10,1)% для , а величина постійної часу - 0,2 с та 0,4 с.



Рис. 8. Залежність для макетного зразку ЧЕ у вигляді суцільного циліндру (сталь): 1 - R₁ = 90 кОм, R₂ = 10 кОм; 2 - R₁ = 190 кОм, R₂ = 10 кОм

Експериментально обґрунтована можливість підвищення ефективності терморезистивних ТПС шляхом використання прогнозних оцінок температури оточуючого середовища. З цією метою доцільно використовувати алгоритм текучого середнього або градієнтний метод. Наприклад, для ТПС з температурою спрацьовування при та а = 0,5 С/с при величині інтервалу прогнозу, який дорівнює 30 с, час спрацьовування зменшується у два рази при похибці прогнозу близько 4%.

Для ТПС типу AIS запропонований алгоритм діагностики його технічного стану безпосередньо в режимі визначення небезпечних факторів пожежі. Розроблений алгоритм проведення температурних досліджень терморезистивних ТПС, який враховує особливості їх побудови. Зокрема, передбачене визначення постійної часу ТПС, внаслідок чого забезпечується скорочення числа однотипних випробувань, і, як наслідок, скорочення часу випробувань. Для реалізації такого алгоритму, який включає перевірку стабільності властивостей ТПС, його диференційних властивостей, визначення постійної часу та температури спрацьовування, а також постійної часу, необхідно близько 20 хвилин.

ВИСНОВКИ

У дисертаційному дослідженні розв'язана актуальна наукова задача щодо обґрунтування можливості покращення характеристик терморезистивних теплових пожежних сповіщувачів, а також щодо вдосконалення методів їх температурних випробувань.

1. Показано, що серед усіх видів теплових пожежних сповіщувачів найбільш поширені сповіщувачі першого розряду - до 71,5%, що належать класам А, В та С - до 90%, і величина постійно часу для яких знаходиться в діапазоні (8,0 100,0) с.

2. Встановлено, що температурні випробування ТПС проводяться на відповідність вимогам призначення та вимогам стійкості та міцності до зовнішніх впливів, причому в першому випадку для восьми видів випробувань час їх проведення складає близько 22 годин, у другому випадку для трьох видів випробувань час їх проведення складає близько 14 годин, а параметрами, що контролюються, є температура та час спрацьовування ТПС.

3. Показано, що величина складової похибки визначення часу спрацьовування ТПС, зумовлена зміною величини постійної часу пожежного сповіщувача, може сягати 20%, що зумовлює необхідність у отриманні оцінок цього динамічного параметру при проведенні температурних випробувань ТПС.

4. Для терморезистивних чутливих елементів ТПС, які виконані у вигляді суцільного або полого циліндрів, а також у вигляді прямокутної пластинки, отримані математичні моделі, що описують їх динамічні властивості та враховують умови їх експлуатації, які належать до класу моделей у вигляді локальних або усереднених за об'ємом передаточних функцій, при цьому, якщо значення критерію Біо не перевищують одиниці, то з похибкою не більш (1,0 2,0)%, всі розглянуті види чутливих елементів ТПС описуються моделлю аперіодичної ланки, динамічним параметром якої є постійна часу.

5. Обґрунтовано, що для підвищення швидкодії та чутливості ТПС його чутливий елемент повинен мати форму полого циліндру з величиною співвідношення наружнього та внутрішнього радіусів, наближеного до одиниці, та для матеріалу якого добуток величини температурного коефіцієнту опору та питомого опору є максимальним, а з'їм інформації з такого чутливого елементу доцільно здійснювати за допомогою мостової вимірювальної схеми постійного струму.

6. Установлено, що введення структурно-надлишкових елементів до складу терморезистивного ТПС, параметри яких узгоджені з параметрами математичної моделі його чутливого елементу, забезпечує підвищення швидкодії пожежного сповіщувача, який функціонує в режимі ТПС максимального типу, або надає йому властивості ТПС максимально-диференційного типу.

7. Розроблені методи визначення постійної часу терморезистивного ТПС (або його чутливого елементу), які засновані на:

- впливі імпульсним тепловим полем та розрахунку різниці питомих двохкратних інтегралів від вхідного та вихідного сигналів;

- впливі ступінчатим тепловим полем та розрахунку інтегрального показника якості, інтегралів від вхідного та вихідного сигналів, використання функцій Ерміта у якості функцій, що модулюють, або вимірюванні вихідного сигналу в режимі диференціювання;

- впливі лінійнозростаючим тепловим полем та вимірюванні у сталому режимі часу запізнення між вихідним та вхідним сигналами.

Ці методи враховують вплив інерційності засобів вимірювання, завад та настаціонарності параметра, що ідентифікується.

8. Ефективність роботи терморезистивних чутливих елементів ТПС може бути підвищена шляхом використання алгоритму текучого середнього або градієнтного методу для отримання прогнозних оцінок температури оточуючого середовища. Показано, що при величині швидкості зміни температури, яка не перевищує 0,5 С/с, похибка прогнозної оцінки на інтервалі часу 30 с не перевищує 4%.

9. Розроблено макетний зразок терморезистивного ТПС, у якому реалізовано варіювання виду, матеріалу та параметрів чутливого елементу, а також реалізована його структурна надлишковість, що забезпечує зміну характеристик та функціональних властивостей пожежного сповіщувача.

10. Експериментальним шляхом встановлено, що на основі терморезистивних чутливих елементів можуть бути реалізовані ТПС любого з R або S типів, при цьому можливо зменшення величини постійної часу на один - два порядки, внаслідок чого час спрацьовування такого ТПС близько за часом спрацьовування безинерційних пожежних сповіщувачів.

11. Розроблено алгоритм проведення температурних випробувань терморезистивних ТПС, який забезпечує перевірку стабільності властивостей пожежного сповіщувача, його диференцуючих властивостей, визначення температури та часу спрацьовування, а також постійних часу ТПС та його чутливого елементу, реалізація якого забезпечує виграш за часом випробувань на порядок. 12. Комплекс математичних моделей терморезистивних чутливих елементів, а також схемотехнічні рішення ТПС впроваджені в компанії “Інвестспецкомплекс” (м. Київ) - акт від 2.12.04 р. при створенні дослідних зразків пожежних сповіщувачів з покрашеними характеристиками, що дозволило вперше для ТПС реалізувати процедуру їх повної технічної діагностики, включаючи чутливий елемент. Методи визначення постійних часу терморезистивних ТПС, а також алгоритми для їх реалізації впроваджені у дослідній пожежній лабораторії ГУМНС у Черкаській області (акт від 24.12.04 р.), що забезпечило скорочення часу проведення температурних випробувань пожежних сповіщувачів на (18 20)% за рахунок скорочення однотипних видів випробувань. Математичні моделі ТПС, а також методи визначення їх постійних часу впроваджені в навчальному процесі ЧІПБ ім. Героїв Чорнобиля в дисципліні “Пожежна та виробнича автоматика(акт ” від 14.12.04 р.).

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Гвоздь В.М., Костенко О.Л. Алгоритм прогнозирования опасных факторов пожара // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. трудов. - Харьков: Фолио, 2001. - Спец. вып. - С. 10 - 14.

2. Костенко О.Л., Гвоздь В.М., Дыгало А.Н., Прохач Э.Е. Прогнозирование опасных факторов пожара // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2001. - Вып. 10. - С. 85 - 87.

3. Костенко О.Л., Гвоздь В.М., Абрамов Ю.А. Обобщенные математические модели опасных факторов пожара // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2002. - Вып. 11. - С. 110 - 114.

4. Гвоздь В.М., Костенко О.Л. Модели тепловых пожарных извещателей максимального типа // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2002. - Вып. 12. - С. 71 - 75.

5. Костенко О.Л., Гвоздь В.М., Абрамов Ю.А. Способ определения динамического параметра пожарного извещателя // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2003. - Вып. 13. - С. 71 - 74.

6. Тищенко А.М., Гвоздь В.М., Костенко О.Л. Динамические погрешности тепловых пожарных извещателей // Проблемы пожарной безопасности. - Харьков: Фолио, 2003. - Вып. 14. - С. 188 - 194.

7. Костенко О.Л., Абрамов Ю.А., Гвоздь В.М., Тищенко А.М. Динамические модели тепловых пожарных извещателей максимального типа // Проблемы пожарной безопасности: Сб. науч. трудов. - Харьков: Фолио, 2004. - Спец. вып. - С. 83 - 89.

8. Гвоздь В.М., Дыгало А.Н. Модели температурных полей очагов пожаров // Матеріали наук.-практ. конф. “Пожежна безпека - 2001”. - Львів: Сполом, 2001. - С. 484 - 485.

9. Гвоздь В.М., Костенко О.Л., Корниенко Р.В. Определение динамического параметра теплового пожарного извещателя // Материалы VI науч.-практ. конф. “Пожарная безопасность - 2003” - Харьков: АПБУ, 2003. - С.248 - 250.

10. Абрамов Ю.А., Гвоздь В.М., Костенко О.Л. Алгоритм преобразования передаточной функции теплового пожарного извещателя // Тези доповідей наук.-техн. конф. “Шляхи автоматизації, інформатизації та комп'ютеризації діяльності МНС України”. - Харків: АЦЗУ, 2004. - С. 8 - 9.

11. Гвоздь В.М., Костенко О.Л. Идентификация динамических характеристик тепловых пожарных извещателей // Тези доповідей наук.-практ. конф. “Профілактика надзвичайних ситуацій” - Харків: АЦЗУ, 2004. - С. 61 - 62.

АНОТАЦІЇ

Гвоздь В.М. Терморезистивні теплові пожежні сповіщувачі з покрашеними характеристиками та методи їх температурних випробувань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 - Пожежна безпека. - Академія цивільного захисту України, Харків, 2005.

Показано, що при побудові теплових пожежних сповіщувачів перевагу слід віддати варіанту, який заснований на використанні терморезистивного ефекту. Основною характеристикою ТПС є час їх спрацьовування, який залежить від температури спрацьовування, початкової температури, швидкості зміни температури, а також від постійної часу сповіщувача. Величина постійної часу входить до часу спрацьовування ТПС.

Для різних за формою чутливих елементів розроблені математичні моделі, в основі яких лежить рівняння теплопровідності, а умови експлуатації відображені у відповідних граничних умовах. Моделі побудовані у вигляді перехідних та передаточних функцій, динамічним параметром яких є постійна часу. Обґрунтовано вибір форми чутливого елементу ТПС, за допомогою якого забезпечується підвищення швидкодії мінімум на порядок. Для зйому інформації доцільно використовувати мостову вимірювальну схему на постійному струмі.

З метою підвищення швидкодії, а також розширення функціональних властивостей введено структурну надлишковість.

Для визначення постійних часу ТПС розроблено методи та відповідні засоби. Методи розподіляються в залежності від виду теплового впливу на ТПС. При ступінчатому впливі розроблені методи, засновані на розрахунку інтегрального показника якості, на використанні функцій, що модулюють, в якості яких використовуються функції Ерміта та інш. При імпульсному тепловому впливі постійна часу визначається у вигляді різниці двократних питомих інтегралів від вхідного та вихідного сигналів, а при лінійнозростаючій у часі температурі здійснюється вимір величини запізнення між вхідним і вихідним сигналами ТПС.

Визначено вплив інерційності засобів виміру, а також завад та нестаціонарності на величину постійної часу ТПС.

Розроблено макетні зразки та проведено їх експериментальні дослідження. Експериментально доведено, що можливо забезпечити швидкодію терморезистивних ТПС, яка наближається до швидкодії безинерційних ТПС.

Запропоновано алгоритм температурних випробувань терморезистивних ТПС, який забезпечує скорочення часу випробувань за рахунок виключення однотипних випробувань.

Ключові слова: тепловий пожежний сповіщувач, чутливий елемент, постійна часу, температурні випробування.

Гвоздь В.М. Терморезистивные тепловые пожарные извещатели с улучшенными характеристиками и методы их тепловых испытаний. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 - Пожарная безопасность - Академия гражданской защиты Украины, Харьков, 2005.

Показано, что при построении тепловых пожарных извещателей предпочтение следует отдать использованию терморезистивного чувствительного элемента. Динамические свойства тепловых пожарных извещателей могут характеризоваться величиной постоянной времени, которая может достигать 100 с.

При температурных испытаниях ТПИ основным контролируемым параметром является время срабатывания, которое включает и величину постоянной времени пожарного извещателя.

Для различных типов терморезистивного чувствительного элемента разработаны математические модели, в основе которых лежит уравнение теплопроводности. Модели представлены в виде переходных и передаточных функций, параметром которых является постоянная времени. Показано, что величина постоянной времени определяется первым корнем трансцендентного уравнения, вид которого определяется типом и условиями эксплуатации чувствительного элемента ТПИ. Обосновано, что максимальным быстродействием обладают ТПИ, в которых чувствительный элемент выполнен в виде тонкостенного цилиндра, а величина критерия Био не превышает единицы. В качестве датчика съема информации целесообразно использовать мостовую измерительную схему на постоянном токе.

Предложено для повышения быстродействия, а также для расширения функциональных свойств ввести структурно-избыточные элементы.

Для трех вариантов входных воздействий разработаны методы и средства, обеспечивающие определение постоянной времени терморезистивных ТПИ. При ступенчатом входном сигнале такие методы основаны на определении интегралов от входного и выходного сигналов, на определении интегрального показателя качества, на использовании модулирующих функций (функций Эрмита) и др. Для импульсного входного воздействия метод определения постоянной времени ТПИ основан на вычислении удельных двухкратных интегралов от входного и выходного сигналов. При линейновозрастающем во времени входном сигнале постоянная времени ТПИ определяется по величине запаздывания между входным и выходным сигналами.

Обоснована возможность определения постоянной времени ТПИ при переводе его в режим дифференцирования.

Получены модели, определяющие влияние инерционных свойств средств измерения на величину постоянной времени ТПИ. Инерционные средств измерения учитывались в виде запаздывающего или апериодического звеньев. Показано, что наличие аддитивных помех в выходном сигнале ТПИ приводит к погрешности определения его постоянной времени, для которой получены модели оценок.

В случае, когда постоянная времени ТПИ является нестационарной величиной, использование метода ее определения, основанного на измерении времени запаздывания между входным и выходным сигналами, обеспечивает определение усредненного на фиксированном интервале времени значения постоянной времени.

Экспериментальным путем подтверждена возможность создания терморезистивных ТПИ классов R и S, при этом показано, что быстродействие ТПИ класса R по быстродействию близко к безынерционным пожарным извещателям.

Разработан алгоритм проведения температурных испытаний терморезистивных ТПИ, в котором за счет сокращения однотипных испытаний уменьшено общее время их проведения.

Ключевые слова: тепловой пожарный извещатель, чувствительный элемент, постоянная времени, температурные испытания

Gvozd V.M. Termoresistant heat fire detectors with improved features and methods their thermal testing. - Manuscript.

Dissertation for seeking the degree of candidate of technical sciences on speciality 21.06.02 Fire Safety. - Civil Defense Academy of Ukraine, Kharkiv, 2005.

It Is Shown that while building heat fire detectors the preference should be given to variant, which is founded on use of thermoresistant effect. The Main feature TFD is time of their operation, which depends on the temperature of operation, initial temperature, velocities of the temperature change, as well as constant of time of detector. The Value of constants of time into time of operation of TFD.

For different in the form sensitive detector elements designed mathematical models, based on the equation of heat conductivity, it is included conditions of usage are displayed in corresponding to border condition. The Models are built connecting and transmission function, which dynamic parameter is constant of time. Its Motivated choice of the form of the detector element TFD, by means of which it is provided increasing of the speed minimum by the order. For removal of information it is reasonable to use the bridge measuring scheme current from on direct. For increasing of the speed, as well as expansion functional characteristic it is incorporated structured redundancy.

For determination of constant of time TFD it is designed methods and corresponding facilities. The Methods are distributed depending on type of the heat influence upon TFD. Under step-like influence it is designed methods, based on calculation of the integral factor quality, on use of modulating function for which are used functions Ermita and others Under pulsed heat influence constant time is defined as difference double specific integral from input and output signal, but under linear growing at time temperature is realized measurement of the value delay between input and output signal TFD.

The Certain influence of inertiality facilities of the measurement, as well as hindrances and unstability on value of constant time TFD.

It is Designed model-based sample and organized its experimental studies. Experiment has is proved that it is possible to provide the speed of termoresistant TFD, approaching to speed of non-inertial termoresistant TFD.

It is Offered algorithm of the thermal test of termoresistant TFD, which provides the reduction of time of the test by exception of the similar test.

The Keywords: heat fire detector, detector element, constant time, thermal test.

Размещено на Allbest.ru

...