автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Разработка и исследование тепловых пожарных извещателей с чувствительными элементами на пленочных термоиндикаторных покрытиях и полупроводниковых термопарах

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ МВД РФ

На правах рукописи

ФОМИН ВЛАДИМИР ИВАНОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПОЖАРНЫХ ИЗВЕЩА-ТЕЛЕЙ С ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НА ПЛЕНОЧНЫХ ТЕРМОИНДИКАТОРНЫХ ПОКРЫТИЯХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ТЕРМОПАРАХ

Специальность: 05.26.03 "Пожарная безопасность"

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата

технических наук

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ В.П. Бабуров, к.т.н., доцент

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ

В.И. Слуев, к.ф-м.н., доцент

подпись соискателя

а.

Москва-1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Ведение _ 5

1. Обзор состояния вопроса и постановка задач исследования.

1.1. Современные тепловые пожарные извещатели выпускаемые промышленностью_ 7

1.2. Тенденции развития датчиков температуры на основе тонкопленочных преобразователей и термоиндикаторов ______12

1.3. Цель и задачи исследования_18

2.Теоретическое исследование основных характеристик пленочных чувствительных элементов.

2.1. Методы определения теплофизических характеристик термоиндикаторных покрытий _19

2.1.1 .Вывод формулы для расчета тепловой инерционности

термопокрытия_28

2.1.2. Расчет тепловой инерционности термопокрытия_ 32

2.2, Основные параметры приемников теплового излучения___ 43

2.2.1 .Конструктивные и технологические особенности современных

пленочных приемников ИК- излучения._48

2.2.2. Исследование выходных параметров пленочного тегоюприемника на основе халькогенидов висмута и сурьмы, предназначенного для применения в качестве чувствительного элемента в тепловых ПИ_52

3. Разработка конструкций и экспериментальные исследования работоспособности пленочных пожарных извещателей

3.1. Разработка универсального стенда для снятия характеристик ПИ__59

3.1.1. Компоновка аппаратуры._61

3.1.2. Структурная схема универсального стенда__63

3.2. Разработка конструкции теплового пожарного извещателя с термоиндикаторным покрытием экрана._68

3.2.1 .Экспериментальное определение оптимальной толщины

термоиндикаторного покрытия экрана._________72

3.3. Разработка конструкции теплового пожарного извещателя

для объектов с взрывоопасной или агрессивной средой 76

3.4. Разработка конструкции теплового пожарного извещателя с волоконно-оптическим шлейфом для объектов со взрывоопасной или агрессивной средой ._82

3.4.1.Экспериментальное определение оптимальной толщины

термоиндикаторного состава разделяющего торцы световодов_88

3.5. Разработка конструкции теплового пожарного извещателя с чувствительным элементом на основе тонкопленочной полупроводниковой термопары _94

3.5.1. Пример конкретного выполнения извещателя_100

3.5.2. Расчет температуры поверхности вызывающей, срабатывание пожарного извещателя__106

4. Разработка методики испытаний теплового, тонкопленочного термоэлектрического пожарного извещателя и натурные

испытания пожарных извещателей.__ 110

Выводы___125

Список литературы_128

Приложение 1 Авторские свидетельства на изобретения _140

Приложение 2 Акты о внедрении_151

Приложение 3 Методика испытаний извещателя пожарного Ш ИП -1 157 Приложение 4 Протоколы испытаний__166

ВВЕДЕНИЕ

Одним из эффективных методов предотвращения пожаров и убытков от них является применения автоматической пожарной сигнализации ( АПС), которая позволяет обнаружить очаг пожара в начальной стадии его развития.

Своевременное обнаружение загорания пожарными извещателями ( ПИ ) зависит от их технических характеристик, правильности выбора вида и типа ПИ, в соответствии с пожарной опасностью объекта, а также от правильности их размещения на защищаемом объекте.

В современных системах АПС наибольшее распространение получили тепловые и дымовые ПИ. Это объясняется спецификой начальной фазы процесса горения большинства пожароопасных веществ, так и относительной простотой схемных и конструктивных решений ПИ.

В чувствительных элементах ( ЧЭ ) тепловых пожарных извещателей широко используются : механические свойства легкоплавких сплавов; изменение линейных размеров металлов при изменении температуры; изменение при определенной температуре ферромагнитных свойств; термоэлектрический эффект; изменение электропроводности полупроводниковых материалов.

Анализ номенклатуры выпускаемых тепловых пожарных извещателей показывает, что до настоящего времени надежное обнаружение загораний в пожароопасных и агрессивных средах является проблемой, так как существующие пожарные извещатели обладают значительной инерционностью, а применяемые в них конст-

руктивные материалы не могут длительное время функционировать в агрессивных средах. В этой связи представляют интерес исследование и разработка пожарных извещателей в чувствительных элементах которых используются пленочные термоиндикаторные покрытия , пленочные полупроводниковые термоэлементы, а в качестве шлейфа используется волоконно-оптические световоды.

Термоиндикаторные покрытия могут применяться в широком диапазоне температур, в условиях повышенной влажности и агрессивной среды, они не подвержены влиянию статического электричества, токов высокой частоты, их можно наносить на поверхность изделия находящегося под напряжением любой величины. Инерционность термоиндикаторов находится в пределах от сотых долей секунды до нескольких секунд. Термоиндикаторы достаточно эффективны, дешевы и доступны.

Волоконно-оптические световоды, покрытые защитной оболочкой, могут использоваться как во влажной, так и в агрессивной средах.

В полупроводниковых термоэлементах, в отличие от металлических, термоэлектродвижущая сила значительно больше, и может достигать сотен микровольт на градус, что позволяет их использовать без предварительного усиления. Постоянная

и

времени пленочных термоэлементов порядка нескольких сотых долей секунды. Стоимость полу проводников ых пленочных термоэлементов ниже металлических.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию тепловых пожарных извещателей, в чувствительных элементах которых используются термоиндикаторные покрытия и полупроводниковые термоэлементы.

1.ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ПОЖАРНЫЕ ИЗВЕЩАТЕЛИ ВЫПУСКАЕМЫЕ ПРОМЫШЛЕННОСТЬЮ .

Пожарные из вещатели классифицируются по целому ряду признаков. По виду контролируемого параметра (тепловые, дымовые, световые, комбинированные). По виду контролируемой зоны ( точечные, линейные, объемные и комбинированные). По виду порога срабатывания ( максимальные, дифференциальные и максимально-дифференциальные). Кроме того, ПИ классифицируются по признаку действия чувствительного элемента .

Доминирующим информационным параметром основной массы пожаров и загораний является температура, поэтому тепловые пожарные извещатели (ТПИ) широко применяются для обнаружения загораний. В данной работе рассматриваются тепловые пожарные извещатели. По принципу действия чувствительного элемента ТПИ классифицируются на: плавкие, биметаллические, ферромагнитные, полупроводниковые, термоэлектрические.

Тепловые пожарные извещатели с легкоплавким чувствительным элементом - наиболее распространенные. Они отличаются простотой конструкции, дешевизной и технологичностью в изготовлении. В качестве чувствительного элемента используется сплав Вуда ( Бп + Сё + В1 + РЬ).

В зависимости от процентного содержания, составляющих сплав металлов, температура плавления может быть от 55 - 120° С, обычно используется температура 72° С. В настоящее время промышленность стран СНГ выпускает ТПИ типа "ИГ1 - 104", с легкоплавким чувствительным элементом, точечный, максимального действия. Аналогичный по принципу действия и сходный по конструкции легкоплавкий извещатель типа "Lorentz" выпускается фирмой Siemens ( ФРГ) , а также извещатель типа"ОМ707"фирмы Keedde ( Великобритания ). Известны линейные пожарные с чувствительным элементом в виде кабелей или медных трубок, которые прокладываются по потолку помещения и осуществляют защиту сплошной полосой шириной 4 - 5 м. К таким извещателям относятся американские плавкие кабели типа "Zealand". Кабели "Zealand" имеют следующую конструкцию: в центре медная жила, затем слой легкоплавкого сплава, прикрытый легкопроницаемой для расплавленного металла изоляцией, второй проводник в виде медной ленты с наружной изоляцией из кембрика. При пожаре участок кабеля над очагом горения нагревается до критической температуры, легкоплавкий сплав расплавляется, прожигает изоляцию

и соединяет центральный провод со вторым, т. е. замыкает цепь тревоги.

К недостаткам ТПИ с легкоплавким чувствительным элементом относится большая инерционность (60-120 сек ), старение сплава.

Широко используется в качестве чувствительных элементов ТПИ свойство тел при нагревании расширяться. Получили распространение извещатели, чувствительный элемент которых состоит из стержня, помещенного в трубку и соединен-

ного с контактной группой системы сигнализации. Одним из таких извещателей является извещатель типа ТРВ, максимального действия, точечный, он выполнен во взрывобезопасном исполнении, принцип действия основан на различии коэффициентов линейного расширения латунной трубки и инварового стержня, связанных с электрическими контактами.

На принципе изменения линейных размеров при нагревании основано действие биметаллических ТПИ, в которых используется в качестве чувствительного элемента пластинка, состоящая из двух разновидных металлов. При нагревании пластинка изгибается и разрывает (или замыкает) контакт электрической сигнализации. Конфигурация пластины может быть различной: прямоугольной, спиральной, сложной формы - в виде мембраны, в виде сферы. Ранее в СССР выпускались извещатели типа "ATII-3M" с круглой биметаллической пластиной и "АТИМ-Г' с прямоугольной пластиной, которые были точечными, максимального действия, а также выпускался точечный максимально-дифференциальный извещатель типа "МДПИ-028". В зарубежных странах выпускаются биметаллические извещатели максимального действия фирмами: "Protektor" Австрия, " Hitton" Япония, " Salviko-Strem" Швеция.

К недостаткам биметаллических извещателей относится довольно большая инерционность ( 50 - 80 сек), малое давление контактной группы, дребезг при вибрации, старение биметалла.

Принцип действия ТПИ с чувствительными элементами из ферромагнитных материалов, основан на изменении магнитных свойств ферромагнитных материа-

нов при достижении ими определенной температуры (точки Кюри). На этом принципе работает извещатель ИП 105-2/1 (ИТМ), термочувствительный датчик которого состоит из герметизированного магнитоуправляемого контакта ( геркона ), и закрепленной на стеклянном баллоне геркона замкнутой магнитной системой, которая при достижении определенной температуры , размыкает контакты геркона. Недостатками данного извещателя являются: большая инерционность (до 120 сек); изменение порога срабатывания в пределах 10%; возможность залипания , по мере старения контактов геркона ( герконы разрабатывались для работы в квазиэлектронных АТС, и их контактные группы рассчитаны на постоянное многократное срабатывание, а не нахождение в течении всего срока службы в замкнутом состоянии).

Более совершенна бесконтактная конструкция ферромагнитного извещателя, состоящая из трансформатора, сердечник которого выполнен из соответствующего ферромагнитного сплава. При нормальной температуре, напряжение во вторичной обмотке достаточно велико, при достижении критического значения (порог срабатывания), сердечник теряет магнитные свойства и напряжение во вторичной обмотке резко падает. Недостатком такого типа извещателя , помимо его значительной инерционности, является необходимость в трех или четырех проводной линии связи.

В основу работы ТПИ с термоэлектрическим чувствительным элементом положено явление термоЭДС. Выпускаемый на Украине с 1958 года точечный, дифференциальный, искробезопасный извещатель ДПС-038, представляет собой бата-

рею из 50 хромель-копелевых термопар, соединенных последовательно, для быстрого нагрева в малоинерционные (горячие) спаи введены серебренные пластины. Недостатком указанного извещателя, кроме использования драгоценного металла, морального старения, является невозможность прямого подключения к премо-контрольному пульту ( только через промежуточный исполнительный орган ПИО-017).

На самолетах гражданской авиации также применяются термоэлектрические извещатели типов ДПС-1АГ и ДТБГ, они отличаются меньшими размерами, предназначены для защиты двигательных отсеков самолетов и рассчитаны на темпера-

А

туру срабатывания свыше 180 С.

Принцип действия полупроводниковых чувствительных элементов ТПИ основан на изменении электрических параметров полупроводника при его нагревании.

В апреле 1997 года Испытательной лабораторией ЦСА ОПС МВД России, испытан и сертифицирован тепловой пожарный извещатель ИП-103-5/1, в котором в качестве чувствительного элемента используется температурное реле РТ 002.04-2, принцип действия которого основан на "эффекте памяти " сплава Нитинол ( Ni 55% + Ti 45%). ' Эффект памяти" заключается в восстановление в результате нагрева, после пластической деформации первоначальной формы изделия.

1.2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ДА ТЧИКОВ ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ

ТОНКО-ПЛЕНОЧНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ И ТЕРМОИНДИКАТОРОВ.

В литературе последних лет приводятся сведения о новых видах ТПИ, а также о чувствительных элементах ( датчиках температуры ) которые можно использовать в перспективных извещателях.

Все большее развитие получают полупроводниковые датчики температуры, основанные на взаимодействии измеряемой величины и потока носителей зарядов в полупроводнике; волоконно-оптические , предусматривающие применение волоконных световодов в качестве конструктивных или функциональных элементов; тонкопленочные технологии, позволяющие значительно снизить цену на датчики температуры.

Фирма Опега ( Франция) разработала пленочные датчики температуры и теплового потока при конвективном теплообмене. Датчики, выполненные из пленки толщиной 80 мкм, наклеиваются на контролируемую поверхность без предварительной механической обработки, необходимой при использовании традиционных датчиков. Датчик температуры занимает площадь в несколько квадратных миллиметров. На подложке из гибкой пленки диэлектрика " Kapton" толщиной 6 ...100 мкм, монтируются термопары ( медно-н икелевая методом вакуумного выпаривания, хромель-константовая - катодным напылением). Рабочая температура датчика 0 ... 200 0С [ 18 ].

Фирма Rosemount Engineering ( Великобритания ) одной из первых приступила к промышленному освоению производства пленочных платиновых преобразова-

гелей типа " Platfilm в настоящее время аналогичные датчики температуры выпускаются также английскими фирмами Heraeus ("Thin Film Detektor"), Matthey "Thermafilm") [ 18].

Тонкопленочные датчики серии TD, предназначенные для контроля темпера-гуры двигателей, бытового электротеплового оборудования, выпускает фирма Honeywell ( США ). Основу датчика составляет кристалл (чип ) размером 1 х 1,3 мм с блоком сопротивления, протравленным фотохимическим способом. В качестве материала чувствительного элемента , в данном случае пленки , используется плагина или сплав ( Ni 80 % + Fe 20%). Рабочая температура датчика - 40 ... + 150 0 С. Стоимость датчиков ниже стоимости обычных проволочных термометров сопротивлений [ 86 ].

Аналогичные датчики температуры выпускают также западногерманские фирмы Degussa, Jumo, Jucheim, Sauter-Cumulas [ 86 ].

Фирма Jucheim производит в основном тонкопленочные платиновые термометры сопротивления в защитной капсуле, технология изготовления которых предусматривает использование метода фотолитографии с последующей обработкой

л

лазером. Диапазон измерений - 50 ... + 400 С.

Фирма Sauter-Gumuias производит тонкопленочный никелевый датчик температуры для систем кондиционирования, датчик отличается малыми размерами и небольшой инерционность, диапазон измерения температуры - 60... +180° С.

Тонкопленочная технология используется при создании приемников излучения для бесконтактного измерения температуры.

В национальном институте по исследованиям в области неорганических материалов совместно с фирмой Sumimoto Metal Mining Со LTD (Япония ) создан на основе тонкопленочной технологии приемник излучения с использованием нового материала PGO ( свинцовая окись германия РЬ5ОезОц ). Достоинством PGO является сравнительно низкая диэлектрическая постоянная и высокий пиротехнический коэффициент. Приемник излучения позволяет обнаруживать очень слабое инфракрасное излучение длиной волны 10 мкм [ 59 ].

В качестве чувствительных элементов в ТПИ также используются волоконно-оптические датчики, при разработке которых большое значения придается материалам чувствительным к тепловому излучению. Такие датчики появились за рубежом в 70- годах.

Фирмой Luxtron ( США ) был предложен тер�