автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Разработка и исследование характеристик быстродействующего тонкопленочного термопреобразователя пожарного извещателя

Введение

1. Аналитический обзор литературы по методам регистрации взрывопожароопасных ситуаций и постановка задачи исследования

2. Теоретические исследования основных характеристик тонкошганочных преобразователей, работающих в режиме пожарного извещателя

2.1. Анализ температурных характеристик тонкошшночных пожарных извещателей с покрытием.

2.1.1. Оценка инерционности тонкопленочного пожарного извещателя с учетом покрытия и вывод формулы для . подбора конструктивных параметров.

2.1.2. Исследования влияния функции на выбор .геометрических характеристик извещателя

2.2. Анализ амлитудно-фазовых частотных характеристик пожарного извещателя на основе метода передаточных функций.

2.3. Исследование возможности одновременного срабатывания от температуры и давления температурных извещателей с пьезоэлементом.

3. Разработка конструкции и экспериментальные исследования работы тонкопленочного пожарного извещателя.

3.1. Разработка конструкции тонкопленочного пожарного извещателя с покрытием.

3.2. Оценка работы извещателя при наличии теплофизических, электро- и тензоэффектов.

3.3. Исследования работы тонкопленочного пожарного извещателя с пьезоэлементом.

4. Использование пожарных извещателей с тонкопленочными термопреобрабозавателями в схемах автоматической пожарной защиты

4.1. Рекомендации по использованию тонкошгеночных термопреобразователей

4.2. Дизель-генератор - как объект пожарной опасности.

4.3. Условия проведения эксперимента и описание экспери-. ментального стенда

Выводы

Повышение эффективности производства и качества продукции-центральная задача современного этапа развития страны, поставленная ХХУ1 съездом КПСС ['П . Выполняя решения съезда, наш народ достиг новых рубежей в создании материально-технической базы коммунизма. Сегодня бурно развиваются все отрасли народного хозяйства, увеличивается потребление нефти и газа, растет число энергетических установок, возникают новые виды производства, применяются ранее неизвестные искусственные материалы, производственные процессы ведутся при высоких скоростях реакций, температурах и давлениях, в них обращаются миллионы тонн различных взрывопожароопас-ных материалов в жидком, газообразном и твердом состояниях в качестве сырья или конечного продукта. Многие технологические процессы промышленных производств имеют своей основой или в какой-то мере используют различные процессы: ударноволновые,взрывы, детонацию в газах, воспламенение топлив, ионизированные импульсные потоки газов и т.д.

Все это таит в себе потенциальную опасность возникновения взрывов и пожаров, которые, если их не обнаружить или не ликвидировать в начальной стадии, в считанные минуты, а иногда и секунды (скорость распространения пламени или взрыва может быть довольно большой от 60 до 4000м/с L^l ) могут нанести огромный материальный и моральный ущерб. Основной задачей пожарной охраны является быстрейшее обнаружение ж тушение пожаров в те моменты, когда они еще не успели обрести большие размеры [ Ъ ] .

Одним из самых результативных направлений в борьбе за предотвращение крупных пожаров, способных нанести большой материальный ущерб, является массовое внедрение систем пожарной автоматики.

Она позволяет значительно экономить труд и время, затрачиваемые на обнаружение и тушение пожаров, а также существенно повысить надежность пожарной защиты объектов народного хозяйства,способствуя сохранению достигнутого экономического потенциала страны.

Своевременное оперативное предупреждение о начале аномального развития процесса невозможно без корректной и надежной диагностики основных параметров быстропеременных тепловых процессов, без своевременной, практически мгновенной сигнализации начала взрывных процессов, детонации и пожаров в установках теплоэнергетического назначения, аппаратах и оборудовании различных производств. Расчеты показывают, что внедрение пожарной автоматики, благодаря существенному уменьшению ущерба от пожаров, дает ежегодную экономию в несколько десятков миллионов рублей [А 5] .

Отечественной промышленностью выпускается современная пожарная техника, в том числе и автоматические устройства и системы пожарной сигнализации, основанные на новейших достижениях в области электроники, телемеханики, физической химии и т.д. В устройствах для обнаружения загораний используются активные фотоэлектрические и ионизационные принципы регистрации дыма малой концентрации, пассивные фотоэлектрические принципы регистрации открытого пламени в инфракрасной и ультрафиолетовой областях излучения, ультразвуковой принцип регистрации турбулентных тепловых потоков и др. Основными параметрами аномального развития тепловых процессов, которые можно использовать в качестве информации о начале взрывной реакции, детонации или пожаре, являются быстрогозраста-ющие температура и давление. Существующие тепловые извещатели, принцип работы которых основан на использовании тепловых свойств газов, жидкостей, металлов и полупроводников имеют инерционность промежуток времени от начала воздействия порогового значения контролируемого параметра до срабатывания извещателя и подачи сигнала) от 0,5 с до I мин и более. Этого времени часто бывает достаточно для быстрого выхода пожара за границы аппарата,широкого распространения его по горючим материалам и конструкциям. С промыишенно изготовляемыми индикаторами давления, используемыми в качестве взрывопожарных сигнализаторов, автору познакомиться не удалось.

Поэтому появилась так же необходимость в создании быстродействующего, малоинерционного извещателя, реагирующего одновременно на отклонения от нормы температуры и давления, способного обнаружить взрыв или пожар в начальной стадии, выработать сигнал 0. начале аномального повышения (или понижения) температуры и давления, отключить агрегат или остановить подачу топлива, включить систему пожаротушения или подавления взрыва.

Целью настоящей работы является разработка конструкции и проведение теоретических и экспериментальных исследований характеристик быстродействующего пожарного извещателя на основе тонкопленочного термометра сопротивления с тонким диэлектрическим защитным покрытием чувствительного элемента для систем автоматической пожарной защиты объектов народного хозяйства, способного реагировать одновременно на изменения температуры и давления.

В результате диссертационных исследований разработана конструкция тонкопленочного пожарного извещателя с пьезоэлементом для одновременного срабатывания от температуры и давления с быстрос; действием ^ 10 °с. Теоретически доказано и экспериментально подтверждено, что при малых толщинах защитное покрытие чувствительного элемента заметного влияния на величину быстродействия пожарного извещателя не оказывает. Получены соотношения для выбоpa оптимальных толщин покрытия и чувствительного элемента,обеспечивающих заданную инерционность извещателя. Разработаны метод расчета временных и геометрических характеристик извещателя на основе анализа функций 0^= 0= и методика расчета толщины защитного покрытия, обеспечивающая допустимые значения амплитудных и фазовых искажений на основании анализа амплитудно-фазовых частотных характеристик с использованием метода передаточных функций. Исследовано влияние теплофизических, электро-и тензоэффектов на величину "полезного" сигнала извещателя.

Созданы конструкции быстродействующего пожарного извещателя на основе тонкопленочного термометра сопротивления с защитным покрытием чувствительного элемента и комплексного извещателя с пьезоэлементом для одновременного срабатывания по температуре и давлению.

На разработанную конструкцию извещателя получено авторское свидетельство $932311. По теме диссертации опубликовано 4 работы, результаты исследований докладывались на двух Всесоюзных научно-технических конференциях и на двух конференциях ВИПТШ МВД СССР.

Тонкопленочный пожарный извещатель с тонким диэлектрическим покрытием апробирован и внедрен в автоматической системе пожарной защиты картеров дизель-генераторов транспортных локомотивов на постах диагностики депо им.С.М.Кирова г.Харькова и депо им.В.И.Ленина г.Ташкента. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 32 тыс.рублей.

Проведенные теоретические оценки и экспериментальные исследования работы извещателя показывают, что он с успехом может быть использован в качестве первичного информатора аварийной автоматической системы обнаружения пожаров и взрывов.

I. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО МЕТОДАМ РЕГИСТРАЦИИ ВЗРЫВ0П0ЖАР00ПАСНЫХ СИТУАЦИЙ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Широкий размах промышленного строительства, изменение структуры современного производства, рост уровня автоматизации труда требуют эффективных мер защиты технологических аппаратов, зданий и сооружений от пожаров. Ответственность государства за охрану социалистической собственности законодательно закреплена в статье 10-й Конституции СССР [ 6 ] .

Проблема обеспечения взрывопожаробезопасности технологических процессов является актуальной дня многих отраслей народного хозяйства: химической, металлургической, нефтехимической, горнодобывающей, нефтяной, энергетической, пищевой и др. Без надежного и точного контроля невозможно уверенное управление все усложняющимися технологическими тепловыми процессами, использующими высокотемпературные газовые потоки, в таких отраслях современной техники как плазмохимия, космическая техника, порошковая металлургия. Специальные институты и лаборатории этих отраслей проводят исследования, направленные на повышение точности, надежности и оперативности измерения параметров газовых потоков, и в первую очередь температуры, на обеспечение взрыво- и пожаробезопасности технологических процессов.

Для обеспечения возможности комплексного решения вопросов пожарной безопасности разработаны общие принципы подхода к количественной оценке взрывопожароопасности технологических процессов, которые могут использоваться уже на начальных стадиях проектирования производств. Рядом организаций страны разработаны Государственные стандарты системы безопасности труда : ГОСТ 12.I.010-76 "Взрывобезопасность. Общие требования"

ГОСТ 12.1.004-76 "Пожарная безопасность. Общие требования te]. ГОСТ 12.1.017-80 "Пожаровзрывобезопасность нефтепродуктов и химических органических продуктов. Номенклатура показателей" [9] и другие.

В настоящее время устройствами и системами пожарной сигнализации и автоматического пожаротушения оборудуют жилые, общественные, промышленные здания и сооружения. Эффективность применения таких устройств и систем зависит от их правильного выбора, что связано с необходимостью учитывать степень пожарной опасности объектов, категорию производства, особенности технологических процессов, вероятность возникновения пожара и динамику его развития.

В работе Обухова Ф.В. [5] основной подход к выбору системы пожарной защиты объекта строится на анализе интенсивности развития пожара. Все пожары по скорости развития делятся на две категории. Главной особенностью первой категории пожаров является то, что у них есть начальная стадия, которая характеризуется сравнительно медленным нарастанием температуры ( от нескольких минут до одного-полутора часов) до 200-300°С. Ко второй категории относятся пожары, развитие которых происходит по закону стандартной кривой - "температура-время". Они характерны для помещений с легковоспламеняющимися и горючими жидкостями, взрыво-и пожароопасными газами и другими веществами. В соответствии с этими категориями рекомендуется устанавливать в помещениях I категории автоматическую пожарную сигнализацию, П категории - автоматические установки пожаротушения.

Примерно такое же подразделение пожаров проводится в, работе [95] . Выбор автоматической пожарной защиты в ФЕТ осуществляется в зависимости от скорости распространения пламени. Пожары подразделяются на вспышки (скорость распространения пламени нес- v колько сантиметров в секунду), взрывы (м/с), детонацию (км/с), а также быстрораспространяющиеся и тлеющие пожары. В первых трех случаях рекомендуется использовать пожарные извещатели, реагирующие на пламя или скачок давления в течение нескольких миллисекунд, при быстрорасширяющихся очагах - температурные пожарные извещатели с автоматическими установками огнетушения, для раннего обнаружения тлеющих пожаров - применять дымовые извещатели.

В табл. I.I приводятся рекомендации по допустимой инерционности различных типов установок пожаротушения при различных категориях пожарной опасности технологического процесса [ 10]

Таблица I.I

Категория пожарной опасности производства

Производства категории А, связанные с применением или изготовлением щелочных металлов, кремний - и металлоорганических соединений

Остальные производства категории А, а также мазутные хозяйства и насосные по перекачке горючих жидкостей, кабельные помещения, сухая первичная обработка льняных и лубяных волокон

Производства категории Б, за исключением мазутных хозяйств и насосных по перекачке горючих жидкостей

Производства категории В с высокой скоростью распространения пожара, за исключением кабельных помещений и помещений сухой первичной обработки льняных и лубяных волокон

Производства категории В с низкой скоростью развития пожара (оклады хлопка в кипах, ре-зино-технических и текстильных изделий, бумаги в рулонах и т.п.)

Допустимая инерционность((и.у.)

Сверхбыстродействующая ^гху. £ ОД с)

Быстродействующая

0,1 с 4 ЯГп.у.О с) Средняя

3 с 4 Тп.у.<30 с)

Нормальная

30 с 4 Тп-уХ 3 мин)

Повышенная ( <Сп.у. >> 3 мин)

Подавляющая часть пожаров возникает из тепловых микроочагов, развивающихся в условиях с недостаточным доступом к ним кислорода, Такие очаги горения наиболее эффективно обнаруживать методом регистрации продуктов горения в небольших концентрациях, т.е. с помощью дымовых извещателей. Они подразделяются на ионизационные и фотоэлектрические. Широко применяются серийно выпускаемые ионизационные извещатели РИД-I, работа которых основана на эффекте ослабления тока ионизации воздушного межэлекродного промежутка дымом. Фотоэлектрические устройства ДОП-I, ФЭУП-М, СПИН основаны на принципе регистрации ослабления лучистого потока дымом, а ИДФ-Ш, ДИП-1 и ДИП-2 обнаруживают дым по интенсивности отраженного (рассеянного) светового потока частицами дыма.

Нередки случаи возникновения пожаров от перегретых механических узлов агрегатов и установок. Если перегревы указанных механизмов являются отклонением от нормы, то регистрация избыточной температуры может быть использована для диагностирования загорания. Для таких условий следует применять тепловые извещатели, подробно на которых мы остановимся несколько позже.

Бывают случаи, когда загорания возникают путем вспышки открытого пламени с последующим быстрым его распространением по всей поверхности горючего материала, чаще всего нефтепродуктов - легковоспламеняющихся жидкостей. Тогда целесообразно использовать извещатели пламени. Регистрация оптического излучения пламени осуществляется в ультрафиолетовой или инфракрасной областях спектра. В качестве приемников лучистой энергии используют фотоэлементы и фоторезисторы малочувствительные к видимой области спектра.

В работах [ И, 13] исследователи ставят вопрос об эффективности пожаротушения, а об эффективности обнаружения пожара в работах [ 14, 15,16,1?, 18, 19 ] . Анализируя эти работы, трудно оценить системы пожарной защиты с точки зрения временных параметров.

Сравнивать между собой и оценивать достоинства и недостатки существующих пожарных извещателей очень трудно хотя бы по той причине, что принципы действия у них совершенно различны. Но, в то же время, извещатели имеют одну общую для всех характеристику -инерционность или постоянную времени. Вот и рассмотрим работу пожарных сигнализаторов с точки зрения их инерционности, эффектив ности и надежности. Паспортные значения инерционности некоторых датчиков и пожарных извещателей проводятся в табл. 1.2 [2.0] .

При проведении сравнительных испытаний электроиндукционного ионизационного и оптического датчиков применительно к возможности раннего обнаружения возгорания в гермообъеме \2\\ указывается, что наибольшей чувствительностью и наименьшим временем срабатывания, при прочих равных условиях, обладает извещатель дыма электроиндукционный (ИДЭ).Время и порог срабатывания фотоэлектрического извещателя ДС-ЗМ не позволяет использовать его в качестве извещатедя в системах раннего обнаружения. Снижение порога срабатывания ДС-ЗМ путем дальнейшего повышения его чувствительности приводит к резкому увеличению ложных срабатываний.

Фотоприемники с внешним фотоэффектом (фотоэлементы и фотоумножители) обладают тоже рядом недостатков.Все фотокатоды селективны и практически область их применения ограничена < I мкм. Работа на границе чувствительности вызывает утомление фотокатодов и потерю чувствительности, а при больших потоках происходят необратимые изменения.Чувствительность фотокатодов зависит от температуры.Неравномерность чувствительности по фотокатоду сильно затрудняет градуировку фотоприемника в единицах плотности потока (Вт/м2) .Как ФЭУ, так и фотоэлементы практически являются источниками тока,имеют большое внутреннее сопротивление,поэтому для реализации максимальной чувствительности целесообразно включить в катод большие сопротивления нагрузки,а это приводит к завб

Таблица 1.2

Паспортные значения инерционности некоторых датчиков и пожарных извещателей

Тип датчика (извещателя)

АИП-М ИПФ-4 СИ-1

ДПС-1 АГ ДЦС-2 ДПС-038 КИ-1 РИД-1 да

ТРВ-2 ДТЕГ

ПОСТ-1: датчик ДМ-70 датчик .ЩЦ-70 ПОСТ-1С:датчик «Щ-70С датчик ДОВ-70С

ТЧК ИД&-Ш ддид да

Диабаз" ФЭУП ДУЗ-4 "ФИКУС"

Инерционность, с

0,1 0,5 до I 2 5

ДО 7 10 до 30 до 120 60 I 25 25 50 50 20 10 3-10 3

3-10 3-5 10 10 частотных характеристик, что в конечном итоге является причиной снижения чувствительности.

Фотоприемники с внутренним фотоэффектом обладают многими недостатками, присущими и фотоэлементам: зависимость чувствительности от температуры; чувствительность к световым перегрузкам; высокое выходное сопротивление; нелинейность световых характеристик. Независимо от этого фотоприемники с внутренним фотоэффектом имеют и ряд неоспоримых достоинств: возможность регистрации излучения вплоть до 50 мкм; наличие высокой вольтватной характеристики; высокое быстродействие.

Извещатели КИ-1,РИД~1 (взамен устаревшей модели КИ-I) и АСОД-I имеют одинаковую чувствительность к даму. Постоянная времени их не превышает 10 с. Условия их применения зависят от влажности и температуры окружающей среды. Дымовые извещатели имеют малую помехозащищенность, а комбинированный извещатель типа КИ-1, реагирующий на тепло и дым, часто дает ложные срабатывания. В результате воздействия пыли на стеклянном баллончике электрометрического тиратрона ТХ-П-Г постепенно накапливается статическое электричество, происходит импульсный разряд и ложное срабатывание. При обследовании органами пожарной охраны штата Мэрилецц (США) 100 тыс. дымовых пожарных извещателей было обнаружено, что 40 % из них неисправно £ 963 .

В работе [98] обращается внимание,что ионизационные пожарные извещатели обнаруживают горение в 75 % случаев, в то время как фотоэлектрические пожарные извещатели срабатывают в 20 % таких случаев.

В последнее время появилось много работ,посвященных использованию пироэлектрических датчиков лучистых потоков в качестве пожарных извещателей .Описываемый в работе L^] пироэлектрический неохлаждаемый пожарный извещатель предназначен для применения в промышленности и срабатывает через 300 не, что допускает применение его в области гравировки, сварки, резки при помощи лазера. Этот извещатель обладает большой чувствительностью и реагирует в диапазоне волн от 0,2 до 20 мкм, в зависимости от используемого фильтра. Датчик может применяться для замеров в горячих зонах машин с быстрым режимом работы и для исследования инфракрасного излучения в лазерных установках, требующих обнаружения быстрых, маломощных импульсов. Пироэлектрический элемент пожарного извещателя выполнен из одного кристалла тантала лития размером I х I мм и заключен в черную оболочку, поглащающую ИК-излучение. В тех случаях, когда быстрота срабатывания пожарного извещателя является доминирующим требованием, вместо черной оболочки используют прозрачные электроды с малым импедансом. К недостаткам этого метода регистрации следует отнести: наличие пьезоэффекта у всех пиро-электриков, который может вносить существенные искажения в аварийной ситуации; зависимость коэффициента преобразования от многих внешних факторов, а также зависимость от частоты; появление необратимых процессов при нагреве выше 300°С; высокое внутреннее сопротивление, а, следовательно, высокая чувствительность к помехам и необходимость сложной аппаратуры для преобразования сигнала; сложность градуировки в единицах плотности потока (Вт/см2).

Большая доля взрывов и пожаров приходится на закрытые технологические аппараты, сосуды для хранения горючих жидкостей и газов, трубопроводы пневмотранспорта, вентиляционные каналы с наличием взрыво- и пожароопасных концентраций, где нарушение режима технологического процесса, наличие постороннего источника воспламенения или возможность статического электричества могут привести к вспышке, взрыву, аварии. Если вовремя не обнаружить начало аварии, возможно быстрое развитие процесса горения или взрыва и, как следствие, - разрушение технологических аццаратов и конструкций с большими материальными потерями, а иногда и с человеческими жертвами. Поэтому своевременная регистрация начальных импульсов аномальных отклонений (чаще всего температуры и давления) позволит быстро предотвратить непоправимые последствия.

Температура является одним из основных параметров, характеризующим протекание множества процессов во многих отраслях промышленности и техники, а также является обязательным элементом, сопровождающим взрывы, детонацию, пожары. Это определило большой объем работ, ведущихся уже многие десятки лет в направлении создания методов и средств регистрации и измерения температуры. Принцип регистрации температуры положен в основу работы множества тепловых пожарных извещателей.

Температуру, как физическую величину, непосредственно измерить невозможно. О ней можно судить лишь по изменению термометрических свойств термоприемников, вызванных нарушениями состояния равновесия благодаря теплообмену и связанных с его температурой функциональной зависимостью. К таким термометрическим свойствам тел относятся: а) механические (тепловое расширение газа, жидкости, твердого тела, изменение упругих свойств газа и др.); б) тепловые (энтальпия, фазовые переходы и др.) ; в) электрические (электрическое сопротивление, термоэлектрический эффект и др.); г) иэлуча-тельные (тепловое излучение, отношение монохроматических яркостей идр.).

Для регистрации температур используют, в основном, два метода: бесконтактный и контактный. К термоприемникам, в которых используется бесконтактный метод, относятся всевозможные пирометры: радиационные, оптические (яркостные), фотоэлектрические (яркостные отношения), спектрометры и т.д. Бесконтактные методы применяют главным образом при контроле температуры движущихся объектов, например слитков, слябов или полос проката, струи жидкого металла при разливке, а также для измерения температуры в закрытых объектах ( в вакуумных печах) и когда измерение контактными методами затруднено, особенно при температурах выше 2000°С. В работе [22] приводятся методы определения температуры по скорости звука в среде, по удельному расходу газа в критическом сечении сопла; в работе [23] температуру измеряют по закономерностям натекания газа в емкость с известными параметрами; в [ ] используется метод разбавления потока холодным газом до уровня температур, регистрируемых стандартными термоприемниками.

Кудрявцев Е.В. L2.53 предлагает экспоненциальный метод измерения температуры, этот же метод используется Симбирским Д.Ф. [2б] и Банниковым А.И. [ 27 ] .По двум стационарным режимам теплообмена с датчиком моделирующим бесконечную пластину измеряется температура среды до 100°С в работе [28] . Некоторые методы измерения температуры приводятся в диссертации Сергеева А.С. [29].

Диапазон измеряемых в настоящее время температур очень широк. Он включает значение температур, близких к "абсолютному нулю" и достигающих нескольких тысяч градусов. Регистрация температур в области низких и средних значений производится, в основном, контактными методами с использованием наиболее распространенных на практике электрических термометров - терморезисторов и термопар.

Время регистрации температуры контактными и бесконтактными методами, как и время регистрации других параметров сопровождающих пожары, различно. Так, например, постоянная времени быстродействующего датчика температуры [i09] составляет 1-2 с. Термочувствительным элементом этого датчика является пластинка кристаллического полупроводникового материала (кремния). Строго дозированное количество примесей и размеры определяют его сопротивление и температурный коэффициент. Быстродействующие приборы для регистрации температуры описываются также в работах [30,31,32, 99] .

Использование термопар и термоэлектрических термометров позволяет кроме широкого диапазона контролируемых температур, достигать высокой точности измерения, передавать результаты измерения на значительные расстояния, осуществлять автоматическую регистрацию показаний, производить недорогие по стоимости измерительные приборы.

Отметим некоторые наиболее важные общие требования к материалам для термопар. Желательно, чтобы т.э.д.с. была достаточно большой и чтобы электросопротивление было не слишком высоким. В этом случае можно измерять температуру без особых дополнительных устройств, таких как усилитель, а также на достаточно большом расстоянии. Кроме этого, характеристика термопары должны быть линейной. В материале термоэлектродов в рабочем диапазоне температур не должно происходить электролитических превращений, вызывающих скачкообразное изменение т.э.д.с. Термоэлектрода должны обладать достаточной коррозионной стойкостью и быть устойчивыми против окислительного и восстановительного действия среды. Если эти условия выполняются, то значение т.э.д.с. термопар во всем рабочем диапазоне лежат в пределах допустимых погрешностей.

Наша промышленность выпускает извещатели типа ДДС-038, ДПС-1АГ и ДТБГ, которые отличаются друг от друга конструктивным исполнением и техническими характеристиками. Время срабатывания их около 7-10 с.

Недостатками термоэлектрических тепловых извещателей являются Ш : зависимость показаний термопар от глубины их погружения в рабочее пространство и от изменения градиента температур; недостаточно высокая надежность работы из-за невысокой чувствительности схемы и влияние наводок на т.э.д.с. термопар; необходимость поддержания холодных спаев термопар при постоянной температуре и разработка специальных компенсационных проводов; необходимость сложного вторичного прибора.

Современная точка зрения на использование термопар в промышленности дал контроля температуры и управления технологическими процессами приводится в работе [ dOO] . Указывается, что градуи-ровочная характеристика термопар изменяется при тепловых ударах, и то, что термопары подвержены окислению и науглероживанию.

Термоэлектроды термопары постепенно могут стать негомогенными, если термометр только частично нагревается и на нем наблюдается перепад температуры [101] . Наиболее тщательно исследованные и технически воспроизводимые термопары, используемые для измерения температуры выше 0°С: медь-константан; хромель-константан; хромель--алюмель (принятое обозначение в СССР - ХА); хромель-копель и др. Термопары хромель-алюмель обладают наилучшей температуроустойчи-востью среди термопар из неблагородных металлов # Термопары хромель-копель мало чувствительны к окислительному воздействию. Благодаря высокой т.э.д.с. и малой теплопроводности обоих термоэлектродов эти термопары используют, в основном, для измерения малых градиентов температуры.

Краткое рассмотрение известных методов измерения температуры показывает, что для измерения температур быстропротекающих процессов (вспышки, взрывы, детонация) или движущихся с большими скоростями газовых потоков (М> I) необходимо пользоваться датчиками температуры, которые должны отвечать следующим требованиям. Во-первых, датчики температуры должны отвечать требованию миниатюризации ( их размеры от КГ2 до 10 мм2). Это вызвано требованием малой инерционности (мкс-мс) и уменьшением погрешности вследствие возникающей температуры торможения. Во-вторых, они должны быть основаны на тепловом принципе работы, ибо только этот принцип позволяет добиться малой инерционности датчика. Как правило, в технологических установках одновременно с измерением температуры необходимо измерить и давление в том же объеме, а иногда и другие характеристики, например, магнитоное поле [.^4,42.] • Требование комплексности приводит к увеличению объема и усложнению конструкции измерительного зонда. Поэтому в каждом конкретном случае приходится выбирать оптимальные варианты измерительного зонда как с точки зрения конструкции, так и его размеров

Из известных типов измерительных преобразователей наиболее высоким быстродействием и механической прочностью обладают термометры сопротивления в виде металлических и полупроводниковых резисторов. Полупроводниковые датчики температуры обладают незначительными размерами и весом, малой инерционностью и высокой чувствительностью ["59, 40] .Однако они обладают значительным разбросом характеристик от образца к образцу, недостаточно широким диапазоном температур, нелинейностью температурной характеристики [ АI ] . В последнее время развернулись работы по созданию новых полупроводниковых термочувствительных элементов, в частности, на основе огранических материалов, устраняющих в значительной мере названные недостатки

4з, 44] .

В 1821 г. Деви впервые обнаружил наличие зависимости электри-чвского сопротивления металлов от температуры [ ЮЗ ] .В 1861 г. Карл Сименс, работавший в Англии, предложил использовать катушку с обмоткой из платиновой проволоки для дистанционных измерений температуры, в частности температуры подводного телеграфного кабеля. В 1887 г. Каллеццер получил патент на платиновый термометр сопротивления, конструкция которого предусматривает защиту от загрязнений платины и устранение механических напряжений.

Достоинства пленочных термометров сопротивления перед другими методами и средствами измерения температуры следующие: высокая точность измерений; дистанционная передача результатов показаний; возможность непрерывной автоматической регистрации; использование электронных систем автоматического регулирования; возможность получения безнулевой шкалы в любом диапазоне температур; достаточно высокий уровень выходного сигнала [ 3 3 ] . Если сравнивать термометры сопротивления с термопарами, то они имеют следующие преимущества: возможность получения относительно высокого уровня выходного сигнала;' выходной сигнал получаем в виде напряжения электрического тока; отсутствие необходимости учета температуры свободных концов или их термостатирование.

Все эти качества обеспечили широкое применение термометров сопротивления в технике, промышленности, пожарной охране. В настоящее время в мире выпуск платиновых термометров для использования в промышленности достиг нескольких миллионов экземпляров в год [ЮЗ] .

Еремин Г.П. и Кондратенко В.Г. [45] предложили измерительный преобразователь, использущий в качестве чувствительного элемента остеклованный никелевый микропровод (£ = 5 мкм. Однородность никелевой жилы микропровода высока и может легко контролироваться непосредственно перед изготовлением. По надежности стеклянного покрытия такой микропровод, как показали испытания, намного превосходит существующие покрытия пленочных измерительных преобразователей. Электронная схема позволяет осуществить автоматическое уравновешивание мостовой схемы в диапазоне быстроменяющихся температур +5 - +60°С. В сочетании с измерительным преобразователем схема позволяет вести измерения в полосе частот 0-300 Гц при разрешении по средней температуре ^ 0,02°С.

Данков В.И. [^б] исследовал и доказал возможность применения резисторов типа ТВО в качестве датчиков температуры в интервале 4,2-450 К. Рассмотрены возможности стабильности и повторяемости показаний резисторов этого типа, влияния на них магнитного поля.

Шварц С. [Ю4] для точного измерения температуры пленок предлагает использовать платиновый термометр сопротивления в сочетании с тонкопленочной Ли-Pt -термопарой. Секи М. и др. [ i05] описывают датчик температуры и теплового потока с постоянной релаксации 0,18 мс. Датчик - молибденовая пластинка размером 8 х 12 мм и толщиной I мм, на которую нанесен слой окиси кремния и никелевая пленка. Температура молибденовой подложки определяется по сопротивлению никелевой пленки. Система предназначена для измерения потока энергии в импульсном плазменном канале. В патенте [ilO] предлагается малоинерционный электронный термозодц для измерения температуры в газах - 160 - +150°С. Принцип действия прибора основан на наличии линейной зависимости от температуры параметров мультивибратора.

Схема для одновременного измерения абсолютной температуры и разности температур описывается в заявке [ЮВ] . Здесь приводится конструкция пленочного термометра сопротивления из платины с сопротивлением при 0°С равным 100 Ом + 0,25 %. ПТС включается в два плеча моста, а два других плеча образованы гораздо большими сопротивлениями для стабилизации постоянного тока. Малоинерционный извещатель на тонких пленках ( 0,1 мкм) рассматривается в работе [47] . Датчик обладает высоким быстродействием, широким спектральным диапазоном регистрации (0,4 - 25 мкм) и высоким уровнем регистрируемой плотности потока энергии ( до 10 кВт/см^) в импульсе микросекундной длительности.

Исходя из условий, в которых приходится работать малоинерционным термометрам сопротивления (быстроменяющиеся температуры, высокие давления и температуры, тепловые удары и т.д.), к чувствительным элементам предъявляются следующие требования[33] . Во-первых, они должны иметь высокий и постоянный температурный коэффициент электрического сопротивления оL (Т.К.С.) ЮО^ R-ioo ~ Ro п n 060 ~~ ioo ' где Ко и Kioo - сопротивление при 0°С и Ю0°С.

Во-вторых, у материала термометров сопротивления должно быть большое удельное сопротивление. В-третьих, должна обеспечиваться стабильность физико-химических свойств материала в рабочих условиях. Чувствительный элемент терморезистора может быть изготовлен из следующих материалов: медь, никель, железо, вольфрам, молибден,тантал, платина, золото, ниобий, иридий, рений. Никель и железо имеют высокие температурные коэффициенты сопротивления и большие удельные сопротивления (6,4 -КГ3 гр"1 и 6,57 -КГ3 гр-1; 0,073 Ом • мм2/м о и 0,098 0M*mmVm соответственно), но у них есть определенные недостатки: трудно получить необходимую степень чистоты; большая зависимость Т.К.С. (cL ) от степени чистоты металла; окисляемость при высоких температурах; нелинейность зависимости сопротивления от температуры. Эти металлы используются при измерении температур 180-200°С.

Чувствительные элементы пленочных термометров сопротивления из меди имеют линейные характеристики зависимости сопротивления от температуры. Кроме того, существуют недорогие способы получения меди высокой чистоты и возможность получения тонкой проволоки в изоляции. Но медь имеет малое удельное сопротивление(0,0154 Om*mi?/m) и большую окисляемость при невысоких температурах. Верхний температурный предел меди ^ 150°С.

К достоинствам пленочных термоприемников с платиновым чувствительным элементом можно отнести: возможность получения платины химически чистой; высокая устойчивость градуированных данных в окислительной среде; простая закономерная зависимость сопротивления от температуры; возможность обработки, такюк платина высоко пластична; высокое удельное сопротивление и большая температура плавления.

В интервале температур от 0°С до 660°С зависимость сопротивления чистой платины от температуры выразится уравнением \4ill :

R = Ro (l + AC + Bc*).

В интервале температур от 660°С до П00°С Г^З]

R= Ro + АС-ВсЛьс5), где Ro - сопротивление платины при 0°С;

С - измеряемая температура, °С;

АДТ) - коэффициенты, характерные для данного сорта платины.

Исходя из проведенного анализа литературных источников по методам регистрации взрывопожароопасных ситуаций, можно сделать вывод, что современные средства обнаружения взрывов, пожаров, детонации не удовлетворяют тем требованиям, которые предъявляет сегодня пожарная охрана. Существующие средства пожарной защиты обладают целым рядом недостатков, которые приводят к ложным срабатываниям, отказам, выходу из строя пожарных извещателей. Многие извещатели ненадежны в работе, хотя это одно из важнейших условий обеспечения эффективности пожарной защиты, сложны в устройстве, недолговечны, имеют большие габариты, массу, металлоемкость, не отвечают требованиям эргономики и технической эстетики. Время срабатывания подавляющего большинства пожарных извещателей слишком велико для своевременного обнаружения пожаров и выработки сигнала для подачи огнетушащего состава. Поэтому в решении Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы взры-вобезопасности технологических процессов" сказано: ". п.4. ВНИИТЕХП, ЕНИИПО, ВИПТШ и ВМИ расширить исследования, направленные на совершенствование существующих и создание новых методов и средств взрывозащиты технологического оборудования и коммуникаций"

16 г] .

На основании вышеизложенного можно сформулировать основную цель настоящих диссертационных исследований: разработать конструкцию и провести теоретические и экспериментальные исследования характеристик быстродействующего пожарного извещателя на основе тонкопленочного термометра сопротивления с тонким диэлектрическим защитным покрытием чувствительного элемента, способного одновременно реагировать на изменение температуры и давления.

Задачи исследования:

1. Провести теоретические исследования влияния защитного покрытия чувствительного элемента тонкопленочного термометре сопротивления на инерционные качества термопреобразователей.

2. Исследовать влияние конструктивных особенностей, геометрических размеров извещателя и свойств окружающей контролируемой среды на температурные и динамические характеристики тонкопленочных пожарных извещателей.

3. Определить возможность одновременной регистрации температуры и давления тепловыми извещателями на тонких пленках с пьезоэлементом.

4. Разработать конструкцию и провести экспериментальные исследования работы тонкопленочного пожарного извещателя, его надежности и помехозащищенности при наличии теплофизических, электро- и тензо-эффектов.

5. Рассмотреть возможность применения тонкопленочных извещателей в схемах автоматической пожарной защиты и дать рекомендации по их применению.

ВЫВОДЫ

1. Проведенные теоретические и экспериментальные.исследования быстродействия тонкопленочного пожарного извещателя с защитным покрытием чувствительного элемента показали, что при толщинах 0,1-0,5 мкм защитное покрытие в термическом отношении прозрачно и не оказывает заметного влияния на величину быстродействия пожарного извещателя. Прогрев тонкой изоляции происходит за 10-15 мкс, что важно для регистрации начальных стадий пожаров, взрывов, детонации. Полученные соотношения позволяют выбирать оптимальные толщины защитного покрытия и чувствительного элемента, обеспечивающие заданное время срабатывания извещателя.

2. Разработанный метод расчета временных и геометрических характеристик тонкопленочного пожарного извещателя, выбора материалов подложки и покрытия и анализ функций u Qvp= 5 показали, что для увеличения быстродействия ТПИ необходимо применять подложки с малым коэффициентом теплоусвоения и защитные покрытия с высокими значениями теплопроводности.

3. Расчет оптимальных пространственно-временных характеристик тонкопленочных пожарных извещателей на основе анализа амплитудно-фазовых частотных характеристик с использованием метода передаточных функций показал, что для обеспечения малых амплитудных ( А 4 0,9) и фазовых ( ^ ^ 5° ) искажений воспроизводимого ТПИ с защитным покрытием импульса является частота Q ^ I0""3 .

4. Разработана конструкция тонкопленочного пожарного извещателя с пьезоэлементом для одновременного срабатывания от температуры и давления. Проведена оптимизация измерительной схемы ТПИ с точки зрения оптимального питащего чувствительный элемент тока (Попт. = 10-15 мА).

5. Оценки работы тонкопленочного пожарного извещателя с защитным покрытием показали, что погрешность, вносимая напряжением от термоудара в тепловой импульс составляет 0,4 %, а погрешность от электрофизических и термомеханических эффектов составляет 0,1 % от уровня "полезного" сигнала.

6. Экспериментальные исследования разработанной схемы аварийной автоматической пожарной защиты картеров дизель-генераторов с использованием тонкопленочных пожарных извещателей подтвердили возможность применения ТЛИ в качестве быстродействущих регистраторов аварийных ситуаций и показали, что их инерционность составляет 10-15 мкс.

7. Годовой экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составляет 32 тыс.рублей.

1. Отчет Центрального Комитета КПСС ХХУ1 съезду Коммунистической партии Советского Союза и очередные задачи партии в области внутренней и внешней политики. Материалы ХХУ1 съезда КПСС.-М.: Политиздат, I98I.-223 с.

2. Физика быстропротекающих процессов. Перевод под ред. Н.А.Златина в Зт.-М.: Мир, 1971, т.З, 358 с.

3. Боевой устав пожарной охраны. Приказ МВД СССР й 380 от 9 ноября 1979 г., п.4.-М.: 1970.-151 с.

4. Аболенцев Ю.И., Ровков А.П. Экономика противопожарной защиты. М.: ВИПТШ МВД СССР, 1976.

5. Обухов Ф.В. Широкое внедрение пожарной автоматики одна из главных задач органов МВД.- Пожарное дело, 1974. №7

6. Конституция (Основной Закон) Союза СССР. Конституции (Основные законы) Союзных ССР.-М.: Юридическая лит., 1978.573 с.

7. ГОСТ 12.1.ОЮ-76. Взрывобезопасность. Общие требования.

8. ГОСТ 12.1.004-76. Пожарная безопасность. Общие требования.

9. ГОСТ 12.I.017-80. Пожаровзрывобезопасность нефтепродуктов и химических органических продуктов. Номенклатура показателей.

10. Алексеев П.П. и др. Машины и аппараты пожаротушения.- М.: Высшая школа МВД СССР, 1972.-528 с.

11. П.Временные рекомендации по расчету количества огнегасительного состава и времени его подачи для установок с углекислотой и составами "3й,"б" М.: ВНИИПО и ВПМТППА, 1968.-22 с.

12. Рекомендации по применению и расчету стационарных установок порошкового тушения.- М.: ВНИИПО, 1969.

13. Савков Е.П., Васильев Г.Н. Высокократная пеноэффективное средство тушения пожаров.-М.: Стройиздат, 1965.-48 с.

14. Жданов С.М., Макаров В.М., Шестаков А.Л. Автоматическая попарная сигнализация.-М.:изд.Мин.комунхоза РСФСР, 1960г.

15. Звездин Н.А., Скачков П.И. Автоматическая сигнализация в пожарной охране.- М.:Стройиздат, 1970.-112 с.

16. Иванов Е.Ы. Автоматическая пожарная защита.-М.: Стройиздат, 1980.-183 с.

17. Ильинская Л.А. Элементы противопожарной автоматики.-М.: Энергия, 1969.-72 с.

18. Бабуров В.П. Исследования эффективности и надежности автоматической пожарной сигнализации с тепловыми извещателями.-Дис. канд.техн.наук.~М., 1974.-117 с.

19. Антонов В.Е. Теоретические и экспериментальные исследования систем судовой пожарной сигнализации с тепловыми датчиками на термисторах.-Дис. канд.техн.наук. Л., 1973.

20. Пожарная автоматика /Под общ.ред.Н.Ф.Бубыря: учебник для ВУЗов МВД СССР.-М.: Высш.инж.пож.-техн.школа МВД СССР, 1977.-296 с.

21. Физические измерения в газодинамике и при горении. /сб.ч.П. Под ред.Б.Льюиса, Р.И.Тиза, X.С.Тейлора.-Е:Изд.иностр.лит., 1957. 431 с.

22. Гольдфарб В.М. и др. Исследования некоторых контактных методов измерения тепловых потоков.и температуры плазмы /В кн.: Теплофизические свойства низкотемпературной плаз?лы.-М.: 1979. с.16-22.

23. А.с. 525863 (СССР) Способ определения энтальпии высокотемпературного- газа /Г.М.Линчик Опубл. в Б.И., 1976. JI36.

24. Кудрявцев Е.В. Применение неустановившихся тепловых режимов при изучении теплоотдачи авиационных двигателей. М.: Оборониздат, 1948.-28 с.

25. Симбирский Д.В. Температурная диагностика двигателей.-Киев: Техника, 1976. 207 с.

26. Банников А.И., Светлова В.И., Раутов В.В. Об одном контактном методе измерения высоких температур / В кн.Теплофизические проблемы прямого преобразования энергии. -Киев: Вып.4, с. 87-93.

27. Гудков В.И. Контактные методы измерения параметров высокотемпературного потока газа и исследование его воздействия с плоскими электродом. Дис. канд.техн.наук.-М.: 1978. - 209 с.

28. Сергеев А.С. Исследование и разработка методов измерения основных параметров высокотемпературных газовых потоков.-Дис.канд.техн.наук.- М. 1980.

29. А.с. 829633 (СССР) Тепловой датчик /Эпельдимов М. . -Опис. изобр. кл. G 08 В 19/00.

30. А.с. 85II22 (СССР) Сигнализатор температуры / Паперно М.Б.-опис.изобр. кл. О 01 К 7/38.

31. А.с. 7II38I (СССР) Преобразователь температуры в частоту (Мачюлайтис Ч.В., Миппшнс ПЛ. опис. изобр. кл.6-01 К 7/24.33