Технологии обнаружения пожара на основе регистрации электромагнитных излучений, генерируемых очагом горения

Так как пламя является источником электромагнитного излучения в оптическом диапазоне, то технологии обнаружения пожара по наличию пламени основаны на регистрации появления электромагнитных волн с определенными частотами излучения, характерными для горения материалов различного химического состава. Из физики известно, что оптический спектр электромагнитных излучений в зависимости от длины волны содержит три вида излучений (рис. 1): ультрафиолетовое (длина волны 0,01–0,40 мкм), видимое (длина волны 0,40–0,70 мкм) и инфракрасное (длина волны 0,70–100 мкм).

Рисунок 1. Состав оптического спектра электромагнитного излучения

При этом диапазон инфракрасного излучения по практическому использованию делят на три области: коротковолновая область (ближний диапазон), средневолновая (средний диапазон) и длинноволновая (дальний диапазон). Кроме спектра электромагнитных колебаний излучение пламени имеет еще одну особенность, а именно, пульсирующий характер. Пульсация излучения вызывает колебания воздушной среды. Как показали эксперименты, частота пульсаций пламени находится в пределах 5–40 Гц с наиболее вероятной частотой около 25–30 Гц и составляет примерно 20–30 % всей интенсивности излучения.

При горении водорода и металлов, которые не являются органическими материалами, излучение происходит в ИК диапазоне на длине волны 2,7 мкм и в УФ-диапазоне на 0,1–0,35 мкм. Уровень ИК-излучения напрямую связан с величиной температуры.

В основу технологий обнаружения пожара по наличию электромагнитных излучений, генерируемых очагом горения, положен физический закон фотоэффекта. В качестве чувствительных элементов используются электронные приборы, работающие как на внешнем фотоэффекте (счетчики фотонов или газонаполненные индикаторы), так и на внутреннем фотоэффекте (фоторезисторы и фотодиоды). Необходимо отметить, что технологии обнаружения пожара по электромагнитному излучению пламени, более других подвержены влиянию помех.

Это связано с широким распространением в жизни и деятельности человека технических источников электромагнитного излучения, разнообразных осветительных приборов, а также влиянием естественного электромагнитного излучения, источником которого являются солнечные лучи и грозовые разряды (молния). Технологии на основе внешнего фотоэффекта применяют в основном для обнаружения УФ-спектра излучения пламени. Рассмотрим работу схемы обнаружения УФ-излучения, в которой в качестве чувствительного элемента применен газонаполненный индикатор (рис. 2).

Рисунок 2. Схема обнаружения УФ-излучения на основе счетчика фотонов

Активная поверхность катода (К) газонаполненного индикатора покрыта фоточувствительным слоем, рассчитанным на работу с электромагнитным излучением определенной длины волны. Попадая на катод, данное излучение вызывает фотоэлектронную эмиссию. Вылетевшие в результате этого фотоэлектроны под воздействием внешнего электрического поля устремляются к аноду, образуя таким образом фототок, величина которого будет прямо пропорциональна световому потоку.

Газонаполненные индикаторы имеют высокую чувствительность, хорошо работают в импульсном режиме, что значительно повышает возможности обработки информации в направлении борьбы с помехами. При незначительном излучающем фоне, что не характерно для очага загорания, интенсивность генерируемых фотоэлементами импульсов будет низкой. При появлении очага горения поток фотонов, испускаемых фотокатодом, резко возрастает, соответственно возрастает ток в цепи анода до величины, необходимой для срабатывания схемы регистрации наличия пламени.

Как правило в технологии обнаружения пламени по его ультрафиолетовой составляющей используется не весь диапазон УФ-излучения, а так называемая область «жесткого ультрафиолета», которая лежит в диапазоне от 185 до 280 нм (0,185–0,28 мкм). Эта часть спектра, содержащаяся в световом излучении Солнца, не пропускается земной атмосферой, поэтому воздействие прямых солнечных лучей не будет служить помехой для реализации данной технологии. Эта технология незаменима также для обнаружения пламени в условиях высокого уровня фонового ИК-излучения, что характерно для производственных помещений с высокотемпературными технологическими процессами.

Еще одним достоинством технологии, основанной на использовании счетчиков фотонов, является высокое быстродействие, что позволяет своевременно обнаружить быстроразвивающееся горение (в том числе и взрыв). Поэтому она применяется в автоматических устройствах подавления взрыва в производственной автоматике (см. раздел 1). Вместе с тем, отмечая высокое быстродействие как достоинство технологии, необходимо понимать, что оно увеличивает вероятность ложного сигнала обнаружения пламени в ответ на кратковременную мощную засветку, например, при грозовом разряде.

Следовательно, требуется принятие дополнительных мер для защиты от внешних помех. Еще одним недостатком технологии является сравнительно небольшой срок службы, связанный с выгоранием фоточувствительного слоя на фотокатоде. Технология обнаружения пламени на основе внутреннего фотоэффекта применяется для обнаружения пламени по наличию в спектре его излучения инфракрасной составляющей. В качестве чувствительных элементов при этом используются фоторезисторы или фотодиоды, которые изменяют свои электрические параметры в зависимости от интенсивности падающего на них светового потока. На рис. 3 показана вольтамперная характеристика фоторезистора.

Рисунок 3. Вольтамперная характеристика фоторезистора

При этом фоторезисторы могут быть изготовлены с различной спектральной чувствительностью. Тогда, если длина световых волн находится вне зоны проводимости, прибор перестает реагировать на такие лучи. Выбор спектральных характеристик зависит от условий эксплуатации изделия и решаемых задач. Основным отличием в работе фотодиода от фоторезистора является то, что фотодиод под воздействием светового излучения изменяет свою проводимость только в одном направлении. Также фотодиод имеет более низкую инерционность по сравнению с фоторезистором.

Следовательно, технологии обнаружения пожара по ИК-составляющей спектра пламени подвергаются более интенсивному воздействию помех, нежели технологии обнаружения по УФ-спектру. Необходимо отметить, что эффективность обнаружения пламени по ИК-излучению значительно повышается при фиксации мерцания пламени. Это позволяет снизить вероятность ложной тревоги от присутствия в защищаемом помещении нагретых предметов (излучение «черного тела»).

В настоящее время развивается технология обнаружения пламени путем записи и анализа видеоизображения защищаемой от пожара территории с использованием цифровой обработки сигнала. На видеоизображении пламя является динамическим объектом, и эта его особенность, наряду с мерцанием и цветовой гаммой, используется для выделения очага горения среди других объектов, окрашенных в цвет пламени.

Техническая реализация данной технологии позволит контролировать большие территории с использованием видеокамер, установленных на беспилотных летательных аппаратах.