Прибор пожарной сигнализации с контролем по напряжению

       Введение 

       Сохранность информации и имущества с каждым годом является всё более актуальным вопросом, причем это может быть не только защита имущества от злоумышленников, цель которых −  хищение чужой собственности. Развитие технологий обязывает использовать всё новые и усовершенствованные охранные и пожарные системы. В данной работе будет рассмотрена охранная сигнализация с контролем по напряжению её расчёт и принципы построения, т.е. критичным, тревожным состоянием является срабатывания одного датчика.

       К системам безопасности относятся:

       1) системы охраны;

       2) системы пожарной охраны и  автоматики;

       3) системы промышленной и технологической  безопасности;

       4) системы защиты информации.

       Характерной особенностью всех систем безопасности является применение сразу различных  видов датчиков для охраны  и  систем построения охраны. Т.е. к примеру чтобы защитить информацию на каком-либо цифровом носителе, мало применяя всевозможные программные средства закрыть доступ к нему несанкционированный доступ на программном уровне, необходимо еще запретить доступ к нему злоумышленников и на физическом уровне.

       Пожарные  извещатели (ПИ) теплового действия реагируют на повышение температуры в охраняемой зоне до 60⁰-70⁰С в зависимости от модификации.

       Одноразовые датчики состоят из двух гибких пластин, соединенных специальным легкоплавким составом, температура плавления  которого 70⁰-72⁰ С.

       ПИ многоразового действия состоит из геркона, окруженного магнитом с двумя тонкими радиаторами-лепестками. При температуре 70⁰ С магнитное поле постоянного магнита становится недостаточным (ослабевает), чтобы держать контакты геркона в замкнутом состоянии.

       Дымовые ПИ представляют собой автоматические оптико-электронные устройства, реагирующие на появление дыма в охраняемой зоне.

       ПИ  ручного действия. предназначены для принудительной выдачи ручным способом извещения о пожаре в рабочее время. Принцип действия основан на разрывании шлейфа путем нажатия кнопки или рычага. 

1. Техническое задание 

1.1 Наименование работы 

1.1.1Прибор пожарной  сигнализации с контролем по  напряжению. 

1.2 Основание для выполнения ОКР 

1.2.1 Настоящая работа выполняется на основании учебного плана кафедры                                                                 РЭС.

1.2.2 Начало ОКР: 25.06.10.

         Окончание ОКР: 20.12.10. 

1.3 Исполнители ОКР 

1.3.1 Исполнитель:. 

1.4 Изготовитель 

1.4.1 Изготовитель:. 

1.5 Цель и назначение  работы. 

1.5.1 Целью работы  является разработка прибора  пожарной сигнализации с контролем  по напряжению. 

1.6 Технические требования 

1.6.1 Тип извещателей  – пожарный (нормально-разомкнутый).

1.6.2 Напряжение питания – U_пит=24В.

1.6.3 Количество извещателей – N=4.

1.6.4 Сопротивление  прибора – R_пр=1.2 кОм

1.6.5 Напряжение шлейфа в нормальном состоянии U_{шс норм}=0,9U_пит

1.6.6 Ток потребления извещателей – I_потр=100 мкА

1.6.7 Сопротивление  извещателя и оконечное сопротивление равны R_и=R_ок

    2. Описание принципа работы шлейфа пожарной сигнализации с нормально-разомкнутым состоянием. 

    Шлейф сигнализации - электрическая цепь, соединяющая выходные цепи охранных (пожарных, охранно-пожарных) извещателей, включающая в себя вспомогательные (выносные) элементы (диоды, резисторы и т.п.) и соединительные провода и предназначенная для выдачи на приемно-контрольный прибор извещений о проникновении (попытке проникновения), пожаре и неисправности, а в некоторых случаях и для подачи электропитания на извещатели.

    Простейшая  эквивалентная схема пожарной сигнализации с контролем по напряжению имеет  следующий вид:

Рисунок 1 - Эквивалентная схема шлейфа пожарной сигнализации.

     Упрощенная эквивалентная схема  шлейфа имеет вид обычного делителя напряжения:

Рисунок 2 - Эквивалентная схема                         Рисунок 3 - Эквивалентная схема шлейфа шлейфа в режиме «норма»    при сработке извещателя

    В дежурном режиме, когда все контакты датчиков разомкнуты, на выходе шлейфа устанавливается напряжение, равное: 

                                                                           (2.1)

Оно принимается  за норму.

    При срабатывании извещателя в нижнем плече делителя параллельно с R_ок добавляется сопротивление датчика (Рис.3), что приводит к снижению уровня U_шс. Прибор идентифицирует это как сработку извещателя. При одновременном срабатывании нескольких извещателей напряжение _Uшс снижается ступенчато, что позволяет прибору определять количество сработавших извещателей. Напряжение U_шс при этом будет определяться как:

                                                                    (2.2) 

    где n – количество сработавших датчиков.

    При обрыве шлейфа U_шс≈U_пит, при коротком замыкании U_шс≈0. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    3. Расчет уровней  шлейфа сигнализации. 

       3.1 Исходные данные 

       Напряжение  питания – U_пит=24В.

       Количество  извещателей – N=4.

       Сопротивление прибора – R_пр=1.2 кОм

       Напряжение  шлейфа в нормальном состоянии U_{шс норм}=0,9U_пит

       Ток потребления извещателей – I_потр=100 мкА

       Сопротивление извещателя и оконечное сопротивление равны R_и=R_ок

       Сопротивление утечки R_ут=20000 Ом

       Сопротивление шлейфа R_шс=150 Ом

       3.2 Расчет R_ок,R_и,R_экв 

       Т.к. на практике имеет место разброс  значений сопротивлений резистора  относительно их номинального значения, значение напряжения, снимаемого со шлейфа, т.е. U_шс и определяющее его состояние, будет лежать в определенных границах от некоторого максимального до некоторого минимального, называемых пороговыми значениями.

       Преобразуем схему, изображенную на рис.1

       Сопротивление извещателя в разомкнутом состоянии равно R_экв+R_и .

       Заменим параллельно соединенные сопротивления  извещателя на R₁:

                                                                                     (3.1)

       Далее заменим параллельные R₁ и R_ок на эквивалентное сопротивление R₂:

                                                                                      (3.2)

       Далее, представим сумму сопротивлений  R₂ и R_шс как R₃:

                                                                                   (3.3)

       Далее заменим параллельные R_ут и R₃ на эквивалентное сопротивление R₄:

                                                                                      (3.4)

       Исходя  из упрощений, выразим напряжение шлейфа U_шс: 

                                                                                    (3.5)

       Расчет  исходных значений R_ок ,R_э ,R_и происходит по следующим формулам: 

       U_шс=0,9∙ U_пит=0,9∙24=21,6 В                                                   (3.6) 

                                      (3.7) 

        =>          (3.8)

       R₂= R₃ –R_шс=23478,26-150 = 23328,26 Ом                                (3.9) 

       Напряжение  на R₂ равно: 

                                      (3.10)

                                          (3.11)                                 =>                                            (3.12) 

       По  условию R_ок=R_и, следовательно 

                                                                                       (3.13)

        => R_и= R_ок=37072,65 Ом           (3.14) 

       62923,16 Ом                       (3.15) 

       Полученное  значение R_ок не принадлежит ряду номиналов резисторов, выпускаемых в промышленности. Наиболее подходящим значением сопротивления резистора из ряда выпускаемых в промышленности номиналов – 37 кОм. Исходя из этого, принимаем значение сопротивления оконечного резистора и сопротивление извещателя равными 37 кОм. 
 
 
 
 

    3.3 Расчет уровней шлейфа в состоянии «норма», при сработке извещателей, обрыве, коротком замыкании. 

    Для каждого состояния были рассчитаны 3 значения – верхнее, номинальное  и нижнее.

    При расчете верхней границы используем следующие значения сопротивления – R_пр-5%, R_ок+5%, R_и+5%, а при расчете нижней – R_пр+5%, R_ок-5%, R_и-5%, т.к. R_пр находится на одном плече делителя напряжения, а сопротивления R_ок и R_и – в другом.

    Расчет  производился в приложении Microsoft Excel, результаты сведены в таблицу 1. 
 
 

    Таблица1 - Уровни сработки шлейфов сигнализации.

4. Описание работы схемы электрической принципиальной прибора 

       При разработке прибора использовались компараторы типа К1401СА1, на прямой или инвертирующий вход которых подается напряжение питания через делитель или напряжение с шины сигнализации. Если напряжение, подающееся на прямой выход, больше напряжения, подающегося на инвертирующий, то на выходе компаратора возникает разность этих напряжений умноженная на коэффициент усиления. Если включить два компаратора по схеме (рисунок 3), то можно отлавливать определенный диапазон значений напряжения. 

     Рисунок 3 - Включение компараторов. 

       Рассмотрим как работает данная схема. На прямой вход компаратора 1 через делитель устанавливается пороговое напряжение . На другой вход подается напряжение с шины сигнализации . В случае, когда > на выходе компаратора будет потенциал земли, в обратном случае какое-то значение  напряжения. Тем самым отлавливается верхняя граница диапазона.  Компаратор  2 подключен наоборот (на инвертирующий вход подается пороговое напряжение , а на прямой вход напряжение с шины сигнализации ). В случае, когда < на выходе компаратора будет потенциал земли, в обратном случае какое-то значение  напряжения. Тем самым отлавливается нижняя граница диапазона. В случае, когда попадает в искомый интервал, срабатывают оба компаратора, подавая сигнал на входы логического элемента «И», который в свою очередь формирует выходной сигнал. В случае, когда не попадает в искомый интервал, срабатывает только один компаратор и логический элемент не формирует выходного сигнала.

       Точно так же работает схема прибора. Компараторы  DA1.2, DA1.4, DA2.2, DA2.4, DA3.2, DA3.4 соответственно ловят верхнюю границу уровней срабатывания одного, двух и трех извещателей, нормы, короткого замыкания. Компараторы DA1.1, DA1.3, DA2.1, DA2.3, DA3.1, DA3.3 соответственно ловят нижнюю границу уровней обрыва, срабатывания одного, двух и трех извещателей, нормы. При попадании уровня напряжения с шины сигнализации в один из отслеживаемых диапазонов загораются светодиоды HL1, HL2, HL3, HL4, HL5, HL6 которые соответствуют диапазону напряжений обрыва, срабатывание одного, двух, трех извещателей, нормы, короткого замыкания.

       Уровни  напряжений сработок сигнализации задаются сопротивлениями R1-R13, путем создания перед каждым компаратором определенного делителя напряжения. Формула делителя:

                                                                 (4.1)

     где U_{шс n} – напряжение шлейфа, соответствующее границе n-го уровня, обеспечиваемое делителем напряжения и подаваемое на компаратор. За первый уровень считаем уровень обрыва.

     R_общ – суммарное (общее) сопротивление резисторов, входящих в делитель.

     Из  формулы (4.1) выражаем отношение R_общ к сумме n-х сопротивлений

                                                                             (4.2)

       Доля  сопротивления каждого резистора  относительно общего сопротивления  рассчитывается по формуле:

                                                                       (4.3)

       Зная  это соотношение, легко находим  сопротивление каждого резистора, считая общее сопротивление равным 10 кОм.

       Расчет  резисторов, входящих в систему делителя, производился в программе Excel. 
 

     Таблица 2 - Значения сопротивлений по ряду Е192 для задания уровней сработок

5. Описание пожарных  извещателей

       Извещатели  пожарные дымовые ИП 212-26 (модификация  извещателя ДИП-3 с более высокой  чувствительностью и низким токопотреблением) предназначены для обнаружения в закрытых помещениях возгораний, сопровождающихся появлением дыма. Извещатели многократного действия, рассчитаны на непрерывную круглосуточную работу в помещениях с температурой окружающего воздуха от минус 30 до +60 °С и предназначены для совместной работы с пожарными приборами и пультами приемно-контрольными, обеспечивающими в шлейфе пожарной сигнализации постоянное напряжение величиной  17-26 В.

       Извещатели  представляют собой автоматические оптико-электронные устройства, осуществляющие сигнализацию о появлении дыма в  месте их установки уменьшением  внутреннего сопротивления и  включением оптического индикатора срабатывания. При этом извещатели не реагируют на изменение температуры, влажности, наличие пламени, естественного  и искусственного освещения.

       В аварийных ситуациях извещатели не являются источником опасности ни для людей, ни для материальных ценностей.

       Электропитание  извещателей осуществляется по шлейфу сигнализации.

       Извещатели  представляют собой единую конструкцию, состоящую из корпуса и крышки, соединенных винтами. На лицевой  поверхности извещателей расположен индикатор срабатывания. Извещатель посредством четырехконтактного разъема  соединяется с розеткой, устанавливаемой  на стене или потолке. Разъемное  соединение извещателей с розетками  обеспечивает удобство установки, монтажа  и обслуживания извещателей.  

       Таблица 3 - Основные  технические характеристики:

       6. Описание структурной схемы прибора  

            В данной работе рассматривается пожарная сигнализация, состоящая из следующих составных частей: 

       - Пожарные датчики, называемые извещателями;  

       - Система делителей напряжения;  

       - Система компараторов; 

       - Система светодиодов;

         - Источник питания.

       В свою очередь составные части  объединяются в следующие элементы:

           Прибор пожарной системы – объединяет в себе датчики (в данном случае 3 датчика)

            Приемно-контрольный прибор - объединяет в себе систему делителей напряжения, систему компараторов и систему светодиодов (оповещателей);

       Источник  питания соединен с приемно-контрольным прибором через систему делителей напряжения для определения уровней сработки, и с прибором пожарной охраны для питания датчиков.

       Прибор  пожарной охраны соединен с приемо-контрольным  прибором через систему делителей  напряжения, предназначенную для  формирования уровней сработки извещателей.

       Система компараторов отвечает за сравнение  уровней сработки извещателей с  текущим напряжением шлейфа.

       Система светодиодов отвечает за передачу информации о состоянии прибора пожарной системы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Заключение 

       В результате работы над курсовым проектом была разработана конструкция охранной сигнализации с контролем по напряжению, разработана и проанализирована схема электрическая принципиальная, построена диаграмма напряжений сработок охранной сигнализации.

       Результатом разработки явились данная пояснительная  записка и комплект чертежей и  диаграмм разработанного изделия. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Литература

       1. «Современные датчики. Справочник» -- Дж. Фрайден, М., Техносфера, 2005.

       2. Методические пособия по курсу  «Первичные измерительные преобразователи  в системах безопасности».

       3. Конспект лекций по курсу «Первичные  измерительные преобразователи  в системах безопасности».

       4.    Информация с сайта http://www.okaphone.nl/calc/russian.shtml