Напишіть нам повідомлення!

Газосигналізатори

Газоаналізатори

Периферійні прилади

Каталог продукції

Сенсори для пожежних сповіщувачів газових

В.Козубовський, доктор технічних наук, провідний науковий співробітник

Ужгородського національного університету

В.Кормош, науковий співробітник Ужгородського національного університету

І.Алякшев, інженер Ужгородського національного університету

 Н.Ліщенко, науковий співробітник Ужгородського національного університету

 

Розглядається можливість зменшення енергоспоживання напівпровідникових газових сенсорів для їх застосування в багатоканальних сповіщувачах пожежних газових та газосигналізаторах з автономним живленням.

 

В останні  роки в Україні  велика увага приділяється захисту населення від можливого отруєння оксидом вуглецю (СО), який є надзвичайно токсичним газом без кольору та запаху, і може накопичуватись в замкнених приміщеннях при працюючих двигунах автотранспорту, при неповному згорянні палива, пожежах, які призводить до частих смертельних випадків. Причина накопичення СО при пожежах – виділення СО на ранніх стадіях пожеж коли превалюють процеси тління матеріалу. При цьому температура і оптична густина (задимленість) в приміщенні суттєво не зростають і традиційні засоби виявлення пожежі (теплові і димові пожежні сповіщувачі) ще не спрацьовують.

Тому очевидна доцільність розробки сповіщувача пожежного газового на базі    електрохімічного напівпровідникового газочутливого елементу (далі - адсорбційний чутливий елемент - АЧЕ). В основі роботи АЧЕ  лежать електрохімічні реакції на поверхні напів­провідника, легованого каталізатором, (наприклад, у випадку СО, каталізатор Pd: Pd + O2400°C PdO;  PdO + CO →110°C Pd + CO2), які призводять до зміни його провідності за рахунок насичення поверхні матеріалу газом акцепторного або донорного типу (окислювач або відновлювач). Перевагою таких елементів є висока чутливість – на рівні десятих ррm,  лінійна залежність вихідного сигналу від концентрації газу в широкому діапазоні, тривалий термін служби, стійкість до агресивних газів та до значних перевантажень по концентрації, стабільність, швидкодія та низька ціна. Однак суттєвим недоліком такого типу сенсора є значне енергоспоживання (порядку 100-200 мВт) що унеможливлює його використання в сповіщувачах пожежних газових та газосигналізаторах з автономним джерелом живлення та значно підвищує енергоспоживання пожежних приймально-контрольних приладів, які забезпечують живлення сповіщувачів.

Тому дуже актуальним для цього класу приладів є розроблений нами АЧЕ СО з незначним енергоспоживанням, призначений для перетворення концентрації окису вуглецю в повітрі у електричний сигнал в приладах з автономним живленням, приладах подвійного призначення – для аналізу загазованості у відповідності до проекту ДСТУ EN 50194, та попередження пожежі у відповідності до ДСТУ EN 54-6, ДСТУ ISO 7240.

Зменшення енергоспоживання АЧЕ можна досягти за рахунок:

-         зменшення розмірів чутливого шару та підкладки з нагрівачем;

-      підбору тривалості циклів десорбції газових компонентів (при нагріванні АЧЕ) та їх адсорбції (при охолодженні АЧЕ).

Відносно зменшення розмірів АЧЕ – то тут все зрозуміло – чим менша маса чутливого елементу сенсора, тим менші потужності треба для його нагрівання до певної температури.

Так, на рис.1 наведена максимальна споживана потужність сенсора при стандартному режимі - режим термоочистки 10 с (температура підігріву 450°С) та при режим виміру 18 с  (температурі контролю СО 100°С) у випадку коли чутливий елемент нанесений безпосередньо на нагрівач (точка TGS3870), розмір діелектричної підкладки з товсто плівковим нагрівачем 1,5х1,5х0,3 мм (точка АЧЕ-16), розмір діелектричної підкладки з напиленим нагрівачем 2,0х0,5х0,3 мм (точка АЧЕ-01), та плівкова діелектрична підкладка з напиленим нагрівачем (точка Експ. Підкладка). Видно, що оптимальним варіантом є плівкова підкладка з напиленим нагрівачем. Однак перехід на такий тип підкладки означає повну заміну технології виготовлення АЧЕ, на що виробники АЧЕ навряд чи погодяться в найближчий час.

mages/statti/sensoru-pozhezhni/grafiki/grafik1.JPG
Ріс. 1

Більш доступним варіантом для розробників приладів є вибір режиму роботи АЧЕ.

По-перше для зменшення енергоспоживання можна використовувати імпульсну напругу живлення нагрівача. Дійсно, при імпульсній напрузі живлення АЧЕ відбувається менше розсіювання тепла на пасивних елементах схеми управління. Економія потужності - порядку 30%.

По-друге, можна скоротити до мінімуму період нагрівання АЧЕ (450°С) і збільшити до максимуму період його охолодження до температури 100°С і нижче. Так, на рис.2 приведена залежність сигналу з АЧЕ при тривалості циклу десорбції (термоочистки) 1,5 сек і різних періодах охолодження. Видно, що чутливість сенсора по СО збільшується зі збільшенням тривалості циклу охолодження (дивись також рис.3).

mages/statti/ris 3.jpg
Ріс. 2

Що стосується споживаної потужності, то вона звичайно зменшується зі збільшенням періоду охолодження і зменшенням періоду нагрівання. При цьому чутливість АЧЕ до СО спочатку збільшується, а потім стабілізується на певному рівні (див. рис.4).

images/statti/sensoru-pozhezhni/grafiki/grafik3.JPG images/statti/sensoru-pozhezhni/grafiki/grafik4.JPG
Ріс. 3 Ріс. 4

Однак при збільшенні періоду охолодження збільшується вплив вологи на опір датчика, а значить і на його вихідний сигнал (проходить адсорбція вологи на поверхні сенсора). На рис.5 показаний вплив вологи при різних режимах роботи сенсора (1 – вплив вологи нульовий в межах діапазону її концентрацій, характерному для приміщень). З рис.5 видно, що режим 1,5-30 сек і 2-45 сек є допустимим – вплив вологи на рівні 10%.

mages/statti/sensoru-pozhezhni/grafiki/grafik5.JPG
Ріс. 5

Для зменшення впливу вологи на покази пожежного сповіщувача можна також використовувати імпульсний режим живлення схеми зчитування інформації. Так на рис.5 наведений вплив вологи при різних режимах роботи схеми живлення АЧЕ і схеми зчитування інформації. Експериментально досліджувались два режими живлення схеми зчитування інформації:  режим 1 – на схему подавались короткі імпульси тривалістю τ = 10 мс, амплітудою 5 В, та з періодом Т = 1 с.;  режим 12 – на схему подається короткий одиночний імпульс тривалістю τ = 10 мс, амплітудою 5 В в кінці кожного періоду. Як видно з рис. 5  вплив вологи в режимі одиночних імпульсів зчитування інформації значно менший і режим живлення сенсора 2-60-12 (час термоочистки 2 с., час охолодження 60 с, одиночний імпульс зчитування в кінці періоду 62 с) є цілком допустимим. При цьому потужність, яка необхідна для схеми живлення АЧЕ не перевищує 20 мВт.

Результати дослідження різних режимів живлення узагальнені у Табл.1.  

Таблиця 1.        Вплив відносної вологи на різні параметри сенсора АЧЕ-16

Режим роботи

Відносна вологість, %

Напруга при концентрації СО, ppm

Опір при  концентрації СО, ppm

Чутливість

Вплив вологи на сигнал при концентрації СО, ppm

50

150

R50

R150

K50-150

K50-0-100

K150-0-100

Станд. режим

 

100

2,84

2,19

12,0

7,1

0,59

0,92

0,95

40

2,94

2,25

13,0

7,4

0,57

1,00

1,00

режим 1.5-30

 

100

1,9

1,35

5,6

3,4

0,60

0,90

0,92

40

2,02

1,43

6,2

3,6

0,59

1,00

1,00

режим 1.5-45

 

100

1,84

1,21

5,3

2,9

0,55

0,73

0,77

40

2,22

1,46

7,3

3,8

0,52

1,00

1,00

режим 1.5-60

 

100

2,75

1,5

11,1

3,9

0,35

1,49

1,10

40

2,25

1,4

7,4

3,5

0,48

1,00

1,00

режим 2-30-I

 

100

2,04

0,86

6,3

1,9

0,30

0,96

0,74

40

2,09

1,1

6,5

2,6

0,39

1,00

1,00

режим 2-45-I

 

100

1,72

0,84

4,8

1,8

0,39

0,88

0,96

40

1,87

0,87

5,4

1,9

0,35

1,00

1,00

режим 2-60-I

 

100

1,38

0,72

3,5

1,5

0,44

0,86

0,87

40

1,54

0,81

4,1

1,8

0,43

1,00

1,00

режим 2-30-I2

 

100

1,8

0,9

5,1

2,0

0,39

0,97

1,00

40

1,84

0,9

5,3

2,0

0,38

1,00

1,00

режим 2-45-I2

 

100

1,72

0,82

4,8

1,8

0,37

0,98

0,97

40

1,74

0,84

4,9

1,8

0,38

1,00

1,00

режим 2-60-I2

 

100

2,09

0,9

6,5

2,0

0,31

0,95

0,97

40

2,15

0,92

6,9

2,1

0,30

1,00

1,00

Зменшити енергоспоживання сигналізатора пожежного газового можна також і за рахунок «сплячого» режиму роботи мікроконтролера, який в робочому стані теж споживає досить значну потужність.

Отже, сповіщувач пожежний газовий на базі  АЧЕ СО з незначним енергоспоживанням може бути створений і значних технічних проблем фактично не існує. Проблемою є відсутність діючої на Україні нормативної документації на цей тип приладів. Крім того, пожежний сповіщувач газовий, який вимірює концентрацію СО (або іншого газу) є фактично засобом вимірювальної техніки і тому підлягає метрологічному контролю (проведенню Державних приймальних випробувань, внесенню до Держреєстру засобів вимірювальної техніки, проведенню Державних контрольних випробувань, повірці приладів при випуску з виробництва та в експлуатації).  Тобто, для розробки нормативної документації та налагодження серійного виробництва цього типу приладів необхідна координація зусиль двох відомств (включаючи виробника, звичайно), Держстандарту та Державного департаменту пожежної безпеки, які зазвичай на це не йдуть.

Нами налагоджено серійне виробництво АЧЕ СО, СН4 з незначним енергоспоживанням,   газосигналізаторів загазованості, які характеризується простотою у використанні, можливістю тривалої роботи в неперервному режимі, можливістю передачі сигналу на значні відстані, малими габаритами та вагою, прийнятною ціною.

Встановлення цих приладів в системах пожежної та аварійної сигналізації дасть можливість:

 -  виявити пожежі на початковій стадії;

 -  запобігти небезпечних і аварійних ситуацій, отруєнню людей.

Розроблений нами сигналізаторами чадного газу ГСБ-01-3 повністю відповідає Європейському стандарту EN 50291 Electrical apparatus for the detection of carbon monoxide in domestic premises. Крім прямого призначення подібні прилади можна використовувати і як пожежні сповіщувачі димові відповідно до ДСТУ EN 54-7:2004. Системи пожежної сигналізації. Частина 7. Дійсно, у різних типах диму концентрація СО перевищую на порядок сигнальну концентрацію ГСБ-01-3. Тому газосигналізатор спрацьовує при наявності дуже незначних концентраціях диму. Крім того, для компенсації температурних впливів сигналізатор ГСБ-01-3 має терморезистор, який контролюється мікропроцесором приладу. Тому при незначній зміні програми ГСБ-01-3 його можна використовувати також і як тепловий пожежний сповіщувач. 

Зараз нами, разом з ПП «Артон» проводяться дослідження з метою розробки багатофункціонального сповіщувача газового, який би відповідав існуючим нормативним документам.

 

 

Рассматривается возможность уменьшения энергопотребление полупроводниковых газовых сенсоров с целью их применения в многоканальных извещателях пожарных газовых и газосигнализаторах с автономным питанием.

 

Sensors for gas-sensing fire detectors

 

The opportunity of reduction energy consumption of semi-conductor gas sensor with the purpose of their application in multichannel fire detection and alarm system and gas alarm with an independent power supply is considered.

 

 

ПП  "АНАЛІЗЕР"

 е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.  

е-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

www.analyzer.com.ua 

 

 

 Тел.:+38 (0312) 44-91-90

Факс: +38 (0312) 61-68-41

Моб.: 050 317 87 18

094 918 91 90