Раннее обнаружение пожаров. Адресно-аналоговые системы – раннее обнаружение пожара Раннее обнаружение пожаров комплексная защита объектов

Как известно, день простоя дата-центра обходится в десятки, а то и в сотни миллионов долларов. Для непрерывной работы дата-центр должен быть защищен от многих опасностей, в том числе и от пожаров. В крупных американских и европейских ЦОДах для этого активно используют аспирационные системы раннего обнаружения возгораний.

Дата-центр - это высокотехнологичное сооружение, потребляющее больше электроэнергии, чем обычный офис. Важное требование к дата-центрам - поддержание определенной температуры воздуха в помещении. Этой цели служит специальная система кондиционирования, с помощью которой создаются внутренние воздушные потоки между стойками и внутри них, обеспечивающие отвод избыточного тепла и комфортную температуру для работы оборудования.

Такая сложная система кондиционирования требует специального подхода к пожарообнаружению. Дело в том, что при наличии сильных воздушных потоков обычные пожарные извещатели для обнаружения дыма или теплового излучения малоэффективны. Дым, подгоняемый воздушными потоками, может не попасть в дымовую камеру извещателя. И если он все же попадает в камеру, то к этому моменту в помещении достигнута предельная концентрация дыма, так что когда срабатывает извещатель, распространение огня уже неизбежно. Поэтому в современных дата-центрах используют активные аспирационные системы пожарной сигнализации.

В настоящее время аспирационные системы пожарной сигнализации выпускают только за рубежом; основные их производители - компании Bosch, Safe Fire Detection, Securiton, System Sensor и Xtralis (ей принадлежат марки оборудования Vesda и Icam, последняя недавно была куплена ею).

Системы данного класса, например, Vesda и Icam от Xtralis, Titanus компании Bosch Security или аспирационные извещатели System Sensor одноименной компании, уже используются во многих странах мира на объектах такого типа, в том числе и в России.

Принцип работы

Аспирационные системы - это системы раннего обнаружения пожара. Как правило, они имеют модульную архитектуру, которая позволяет адаптировать систему к конкретным условиям эксплуатации и планировке здания. Основные компоненты такой системы - трубопровод для забора воздуха из контролируемой области и сам извещатель, который можно разместить в любом месте внутри защищаемого помещения или вне его.

В качестве трубопровода обычно используют трубы ПВХ. С помощью переходников, уголков, тройников и других аксессуаров можно создавать гибкие сети трубопроводов для забора воздуха с учетом особенностей каждого отдельно взятого помещения. При этом сам аспирационный извещатель создает вакуум в системе трубопровода, чтобы обеспечить непрерывный забор воздуха из контролируемой области через специально сделанные отверстия. Эти активно получаемые образцы воздуха проходят через камеру детекции, в которой проверяются на содержание в них частиц дыма. Кроме того, например, в системе VESDA, из пробы воздуха сначала удаляются пыль и загрязнения с помощью встроенного фильтра, а потом проба подается в камеру аспирационного извещателя. Это предотвращает загрязнение оптических поверхностей камеры.

Проба воздуха поступает в калиброванную камеру извещателя, в которой через нее проходит луч лазера. При наличии в воздухе частиц дыма наблюдается рассеивание света внутри камеры, и это немедленно обнаруживается высокочувствительной приемной системой (рис. 1). Затем сигнал обрабатывается и отображается на гистограммном дисплее, пороговых индикаторах срабатывания сигнализации и/или графическом дисплее. Чувствительность извещателя можно регулировать, а поток воздуха непрерывно контролируется на предмет обнаружения повреждений трубопровода.

Аспирационные извещатели условно делят на две категории. Первая - извещатели типа PIB (Point in the box), в которых в качестве камеры детекции используют обычные дымовые датчики повышенной чувствительности, например, ASD-Pro или LASD компании System Sensor с чувствительностью от 0,03 до 3,33%/м. Вторая группа - аспирационные извещатели типа VESDA, Icam или Titanus, которые имеют собственные встроенные камеры детекции дыма с диапазоном чувствительности от 0,005 до 20%/м у VESDA, от 0,001 до 20%/м у Icam и от 0,05 до 10%/м у Titanus. Мы рассмотрим только извещатели второй группы, поскольку именно они имеют наибольший диапазон чувствительности по сравнению с PIB, что позволяет детектировать пожар еще на стадии плавления провода и устанавливать наиболее высокий порог для запуска системы газового пожаротушения помещений дата-центров.

Особенности и преимущества

Классические системы пожарной сигнализации не срабатывают, пока не начнется тление или не появится огонь. На этом этапе возгорания борьба с пожаром уже становится сложным делом. Важнейшее преимущество аспирационных систем заключается в том, что они обнаруживают зарождающийся огонь и обеспечивают раннее оповещение о пожаре. Интеллектуальный процессор камеры детекции дыма анализирует полученные данные и принимает решение о том, соответствуют ли они каким-либо типичным моделям пожара. При этом внешние факторы, которые могут стать причиной ложных срабатываний, подавляются.

Итак, в чем же основные преимущества аспирационных систем?

1. Надежное обнаружение возгорания для ран-него предупреждения. Высокочувствительные датчики определяют возгорание на самой ранней его стадии - в фазе пиролиза, еще до распространения видимых частиц дыма (например, когда начинает оплавляться провод или другой электронный элемент оборудования). В большинстве случаев такие системы предотвращают значительный материальный ущерб, поскольку быстро выявляют вышедший из строя элемент, который можно обесточить, не дав зарождающемуся пожару перейти в активную фазу. Кроме того, аспирационные системы позволяют не вводить в действие систему активного (как правило, газового) пожаротушения и экономят средства, необходимые для перезарядки газовых баллонов.

2. Сокращение числа ложных срабатываний. Благодаря интеллектуальной обработке сигнала с датчиков в аспирационных системах подавляются внешние факторы, например, пыль, сквозняки или электрические помехи, которые часто становятся причиной ложных тревог. Это обеспечивает более высокую чувствительность и надежность работы системы даже в помещениях с высокими потолками или экстремальными температурами, а также в условиях загрязненности или высокой влажности.

3. Быстрый монтаж и простое обслуживание. Извещатели можно установить в любом месте как снаружи, так и внутри помещения, чтобы специалистам по обслуживанию было удобнее получить к ним доступ. Аспирационные системы незаметны в помещении, а их обслуживание не требует высокой квалификации. Информация о всех неисправностях, таких как повреждение трубопровода, загрязнение фильтра и т.д., выводится на экран дисплея. Таким образом, персоналу не приходится тратить много времени на выявление неисправности системы, ее можно обслуживать по мере поступления информации.

Основное и принципиальное отличие аспирационных систем от обычных систем с пассивными датчиками дыма - активный забор проб воздуха из коммуникационных и серверных шкафов дата-центра, посредством встроенного вентилятора, работающего по принципу пылесоса. Другим важным отличием является более высокая чувствительность извещателей, что позволяет обнаруживать частицы дыма, невидимые для человеческого глаза, с концентрацией от 0,005%/м у системы VESDA, от 0,001% у Icam или от 0,05% у Titanus.

Немаловажная особенность - наличие встроенного (как у системы VESDA) и/или внешнего фильтра, где очищается всасываемый воздух. Такие фильтры позволяют эксплуатировать аспирационные системы в сильно загрязненных помещениях без постоянной очистки или замены лазерных камер, что, в свою очередь, увеличивает срок службы системы и сокращает расходы на ее обслуживание.

Области применения

В некоторых случаях применение аспирационных систем приносит ощутимый результат по сравнению с обычными пассивными извещателями. В первую очередь это предприятия и компании, где непрерывность производственных или бизнес-процессов имеет первостепенное значение, а простои недопустимы. Таковы, например, телекоммуникационные системы и серверные финансовых организаций, коммунальные объекты и медицинские стерильные помещения (операционные), энергетические и транспортные системы. Аспирационные системы полезны и тогда, когда необходимо исключить ложное срабатывание системы активного пожаротушения, приводящее к большим затратам времени и средств на восстановление объекта.

Аспирационные системы предпочтительны в помещениях, где обнаружение дыма затруднено, например, при интенсивных воздушных потоках или в высоких атриумных пространствах (торговые центры, спортивные залы, театры, музеи и т.д.). Их используют и в помещениях, где доступ для технического обслуживания невозможен или затруднен; они оптимальны для защиты пространства за подвесным потолком и под фальшполом, лифтовых шахт, производственных зон, воздуховодов, а также тюрем и других мест содержания под стражей. Еще одна сфера применения - в экстремальных условиях окружающей среды: при сильной запыленности, загазованности, влажности, очень высоких или очень низких температурах (например, на электростанциях, бумажных или мебельных фабриках, в автомастерских, шахтах). И наконец, аспирационные системы используют, если важно сохранить дизайн помещения и средства обнаружения задымления требуется скрыть.

Построение аспирационной системы в ЦОДе

Как правило, оборудование дата-центров находится в закрытых шкафах, поэтому наиболее эффективным решением для защиты этих зон является отбор проб из шкафов. В случае аспирационных систем в дата-центрах трубки с всасывающими отверстиями проводят поверх стоек с установленным оборудованием. Гибкая система трубок позволяет отбирать пробы как над шкафами, так и внутри них с помощью капилляров, обеспечивая максимально надежное обнаружение дыма в полностью закрытых шкафах, равно как и в шкафах с верхней вентиляцией (рис. 2).

Сколько стоит зашита от пожара Стоимость решения для пожарной защиты конкретного дата-центра зависит от объема и площади помещения, а также от числа отдельно защищаемых компонентов систем. В любом случае эта стоимость не превышает 1% от стоимости оборудования, установленного в дата-центре. Например, цена 15-канального извещателя Icam, способного защитить 15 стоек с оборудованием, составляет 10—11 тыс. евро, прибор VESDA VLP, который может защитить до 2000 кв.м., стоит 4—5 тыс. евро, а Titanus защищает до 400 кв.м. и стоит 2000—4000 евро.

У системы Titanus есть функция ROOM-IDENT, которая обеспечивает раннее обнаружение возгораний и определение их местонахождения. Один извещатель может контролировать до пяти помещений или пяти стоек при прокладке только одной трубки. Процесс определения источника возгорания системой ROOM-IDENT включает четыре этапа, а результат отображается на извещателе.

Этап 1 (обычный режим): трубопровод используется для забора и оценки образцов воздуха в нескольких помещениях.

Этап 2 (раннее обнаружение возгорания): всасывание и анализ воздуха. При наличии дыма немедленно включается тревожный сигнал для раннего реагирования.

Этап 3 (обратная циркуляция): при включении тревожного сигнала всасывающий вентилятор выключается и включается второй, нагнетательный вентилятор, выдувающий все частицы дыма из трубопровода в противоположном направлении.

Этап 4 (определение местонахождения): после продувки трубопровода направление движения воздуха снова меняется. На основании замеров времени, которое потребовалось частицам дыма, чтобы достичь модуля детекции, система определяет местонахождение возгорания.

Используя гибкую систему трубопроводов, с помощью одного датчика VESDA можно, например, контролировать пространство не только над стойками, но и за фальшпотолком и фальшполом, а также кабельные лотки, которые есть в любом дата-центре и часто являются источником пожара. Кроме того, извещатели системы VESDA встраиваются в rack-стойку, что экономит место и обеспечивает конструктивную однотипность всего оборудования в дата-центре.

Еще один ключевой момент организации надежной системы пожарообнаружения - забор воздуха непосредственно у решетки приточно-вытяжной вентиляции помещения. Появившийся дым неизбежно попадает в воздушный поток, поэтому установка системы труб с заборными отверстиями на решетке возврата воздуха системы циркуляции обеспечивает моментальное обнаружение зарождающегося пожара на самой ранней стадии.

Забор проб воздуха непосредственно рядом с решеткой вытяжной вентиляции позволяет уловить в воздухе частицы дыма даже в том случае, если создаваемые воздушные потоки миновали все остальные заборные отверстия трубок в помещении. Это связано с тем, что через вытяжную вентиляцию циркулирует весь воздух, содержащийся в помещении, а значит, ни одна частица дыма, содержащаяся в воздухе, не пройдет мимо заборного отверстия (рис. 3).

Возможность установки различных уровней пожарной опасности позволяет запрограммировать систему на соответствующие реакции на разных этапах развития пожара, например, на отключение оборудования систем кондиционирования или запуск систем активного пожаротушения. Например, можно установить несколько порогов предтревоги или самую высокую чувствительность - для определения момента плавления элементов оборудования. При превышении данного порога чувствительности сигнал предтревоги будет передан на пожарный пост, чтобы персонал идентифицировал место плавления и отключил питание оборудования, предотвратив распространение пожара.

Можно также установить среднюю чувствительность, и при этом система будет определять момент сильного задымления помещения, когда сложно найти место или оборудование, являющееся причиной задымления. При превышении данного порога чувствительности можно запрограммировать систему на отключение кондиционеров. Самую низкую чувствительность устанавливают для уровня задымленности помещения, когда предотвратить дальнейшее распространение пожара невозможно без систем активного пожаротушения. При достижении данного порога чувствительности программируется включение системы газового пожаротушения (рис. 4).

Включение систем пожаротушения - это второй этап предотвращения распространения пожара в дата-центре, когда развитие пожара уже невозможно остановить с помощью простых действий: отключив задымившийся сервер, системы кондиционирования и т.д. Для активного тушения пожара применяются, как правило, газовые системы пожаротушения, использующие два принципа организации пожаротушения в дата-центре. Первый - это общее газовое пожаротушение, когда проводится тушение общей площади ЦОДа. Второй - стоечное газовое пожаротушение, когда тушат отдельно взятую стойку. Последний принцип применяется для стоек с оборудованием особого назначения, когда потеря данных обойдется дороже установки и эксплуатации системы пожаротушения. Но это уже тема отдельной статьи.

  

УДК 614.842.4

СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ РАННЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ ПОЖАРА

М. В. Савин, В. Л. Здор

Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России

Дается краткая характеристика различных типов пожарных извещателей, их положительных качеств и недостатков. Подробно рассматриваются устройство и преимущества аспи-рационных пожарных извещателей.

Одним из самых важных элементов системы пожарной сигнализации являются пожарные из-вещатели. Они подразделяются в зависимости от того типа физического фактора пожара, на который реагируют, и, соответственно, классифицируются на тепловые, дымовые, газовые, извещатели пламени, комбинированные. Кроме того, в зависимости от конфигурации измерительной зоны различают пожарные извещатели точечные, многоточечные и линейные. Точечный пожарный извещатель реагирует на фактор пожара, контролируемый вблизи его компактного чувствительного элемента. Многоточечный пожарный извещатель характеризует дискретное расположение точечных чувствительных элементов в измерительной линии. Линейный пожарный извещатель-это извещатель, геометрическая форма зоны контроля которого имеет протяженный участок, то есть контроль окружающей среды проводится на протяжении некоторой линии. У каждого типа пожарных извещателей есть свои преимущества и недостатки. Совокупность этих свойств и определяет область их применения. Но все же для всех этих извещателей характерен один общий недостаток - это так называемое "пассивное" сканирование защищаемой площади. Ведь они фактически ждут, пока факторы, сопровождающие пожар (дым, повышенная температура), сами окажутся в поле обнаружения извещателя. В частности, дымовой пожарный извещатель только тогда выдаст тревожное извещение, когда дым попадет в камеру извещателя, что существенно зависит от наличия воздушных потоков в защищаемом помещении.

В настоящее время на нашем рынке стали активно внедряться аспирационные пожарные извещате-ли. Они представляют собой собственно извеща-тель, состоящий из чувствительного элемента и схемы обработки сигналов, который может быть расположен как внутри, так и вне защищаемого помещения, и систему заборных трубопроводов, по которым транспортируются пробы воздуха из за-

щищаемого помещения к чувствительному элементу аспирационного пожарного извещателя.

Аспирационные пожарные извещатели имеют несколько основных преимуществ перед традиционными системами обнаружения дыма. В первую очередь, обеспечение доставки проб воздуха к чувствительному элементу независимо от наличия принудительных и естественных воздушных потоков в защищаемом помещении.

Аспирационные пожарные извещатели обеспечивают так называемое кумулятивное обнаружение. Когда дым распространяется и рассеивается по всему помещению, его концентрация уменьшается и становится все труднее обнаружить его традиционными средствами. Кумулятивное обнаружение относится к способности забирать воздух из многих точек в пределах защищаемой зоны в один изве-щатель. Аспирационные пожарные извещатели непрерывно отбирают небольшие количества проб воздуха по всей защищаемой зоне и переносят их к чувствительному элементу аспирационного пожарного извещателя.

Одной из сервисных функций современных ас-пирационных пожарных извещателей является способность непрерывно следить за общим фоном запыленности воздуха, прогнозируя и подстраивая свою работу в соответствии с реалиями защищаемого объекта. Это еще одно из возможных применений данного изделия - мониторинг чистоты воздуха в помещении. Кроме этого, большинство извещателей постоянно анализируют возможные неисправности в своей работе (загрязнение в трубках, засорение дымовсасывающих отверстий и т.д.).

По существу аспирационные пожарные извеща-тели - это интеллектуальные пожарные микростанции. Они так же, как и обычные системы пожарной сигнализации, имеют в своем составе стационарное и периферийное оборудование. В качестве периферийного оборудования выступают как система заборных трубопроводов с дымовсасы-вающими капиллярными трубками, так и различ-

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 6"2003

ные модули (рис. 1), предназначенные для выполнения таких функций, как обеспечение визуальной индикации состояния аспирационного извещателя в отдельных зонах, настройка, проверка и сервисное обслуживание, а также программирование какого-либо отдельного извещателя и всей сети в целом.

В качестве чувствительного элемента аспира-ционных пожарных извещателей могут использоваться как обычные пожарные извещатели (дымовые или газовые) (рис. 2), так и интеллектуальные системы обнаружения дыма по методу сканирующей лазерной технологии (рис. 3).

Разберем принцип действия аспирационных пожарных извещателей на примере извещателей серии VESDA фирмы "Vision Fire & Security". Воздух из защищаемого помещения непрерывно всасывается в извещатель при помощи высокоэффективного вентилятора (аспиратора) через систему заборных трубопроводов (рис. 4). Проба этого воздуха пропускается через фильтры. Сначала удаляется пыль и загрязнение до того, как проба поступает в оптическую камеру обнаружения дыма. Затем, на второй ступени очистки (если она имеется), обеспечивается дополнительная подача порции чистого

воздуха для предотвращения загрязнения оптических поверхностей и обеспечения стабильности калибровки и длительного срока службы аспирационного извещателя. После фильтра проба воздуха поступает в измерительную камеру, в которой происходит распознавание наличия дыма. Затем сигнал обрабатывается и индицируется посредством линейного шкального индикатора, пороговых индикаторов сигнала тревоги или графического дисплея (в зависимости от модификации извещателя). Далее аспирационные извещатели через реле или интерфейс могут передавать эту информацию на приборы приемно-контрольный пожарный, пожарный управления, на пульт централизованного наблюдения или другие внешние устройства.

Возникающие загорания проходят обычно четыре стадии: тление, видимый дым, пламя и пожар. На рис. 5 показано, как протекает развитие загорания во времени. Обратите внимание на то, что продолжительность первой стадии - тления - обеспечивает больше времени для обнаружения потенциального пожара и, соответственно, борьбы с его распространением, прежде чем он причинит значительный ущерб и разрушения. Традиционные дымовые пожарные извещатели зачастую обнаруживают дым, когда пожар уже начался, что приводит к

t-я стадия: 2-я стадия:

Тлеющий пожар Видимый

1 Традиционные

3-я стадия Пламя

4-я стадия! Пожар I

VESDA Пожар 2 (Включается система пожаротушения)

значительному материальному ущербу. Ряд аспира-ционных пожарных извещателей благодаря своим особенностям позволяет обнаружить пожар на стадии тления и распознать процесс его распространения.

Область применения аспирационных пожарных извещателей достаточно широка:

На складах;

В универсамах широкого профиля, которые содержат различные объемы товарно-материальных запасов: от сырьевых производственных материалов и оптовых товаров до розничных предметов потребления и готовой продукции;

В узлах электронной обработки данных, таких как центры обработки данных Internet, управления сетью и подобные системы, которые представляют значительную опасность пожара из-за их большой потребности в электроэнергии и плотности электронных схем;

На участках с чистыми производственными помещениями, например такими, как установки по производству полупроводников, научно-исследовательские и опытно-конструкторские организации, фармацевтические производственные мощности, представляющие значительную опасность пожара из-за постоянного снабжения воспламеняющимися материалами;

В энергетической промышленности, которая использует для выработки электроэнергии различные типы топлива.

Аспирационные пожарные извещатели с системой фильтрации воздуха имеют низкую вероят-

ность подачи ложных сигналов тревоги, что позволяет уменьшить значительный материальный ущерб, который мог бы возникнуть при ложном пуске систем пожаротушения, остановке технологического процесса и т.п.

В то же время аспирационные пожарные извещатели можно использовать в зданиях и помещениях с повышенными требованиями к эстетике - это современные офисы, зрительные, репетиционные, лекционные, читальные и конференц-залы, комнаты заседаний, кулуарные, фойе, холлы, коридоры, гардеробные, а также исторические здания, соборы, музеи, выставки, галереи искусств, книгохранилища, архивы.

Аспирационные пожарные извещатели возможно использовать:

В экстремальных условиях: при низких температурах, механических перегрузках и жестких условиях эксплуатации, так как система заборного трубопровода и непосредственно чувствительный элемент извещателя могут быть установлены в разных помещениях;

Они могут работать как самостоятельно в качестве индивидуальных средств, так и в составе автоматических систем сбора и обработки информации об обстановке и передачи сигналов на внешние устройства различным способом (по проводам, радиоканалу и др.);

В качестве эффективных средств формирования стартового сигнала для запуска систем пожаротушения благодаря наличию нескольких уровней сигналов тревоги и настраиваемому диапазону чувствительности. При этом для осуществления алгоритма пуска средств пожаротушения предполагается наличие двух отдельных точек детектирования, которые необходимы для срабатывания системы, то есть наличие двух отдельных аспирационных пожарных извещателей. Таким образом, дымовые пожарные извещатели

аспирационного типа являются серьезным дополнением в комплексе мер по обеспечению безопасности помещений наряду с традиционными пожарными извещателями, ни в коем случае не уменьшая значимости и возможностей последних.

ПOЖAPOBЗPЫBOБEЗOПACHOCTЬ 6"2003

Компания-производитель "Vision Fire & Security" "Securiton-Hekatron" "ESSER"

Характеристика Наименование аспирационного пожарного извещателя

VESDA Laser VESDA Laser PLUS SCANNER VESDA Laser COMPACT RAS ASD 515-1 RAS ASD XL ARS 70 LRS-S 700

Питание, В 18...30 18.30 18.30 20.28 18.38 24.30 18.30

Температура эксплуатации, °С -20...+60 -20...+60 -20...+60 0...+60 0...+52 0...+50 -10.+60

Чувствительность, % 0,005.20 0,005.20 0,005.20 Определяется пожарным извещателем 0,005.1 Определяется пожарным извещателем 0,005.20

Технология определения дыма Лазерная Лазерная Лазерная Оптический дымовой пожарный изве-щатель Лазерная Оптический дымовой пожарный изве-щатель Лазерная

Максимальная длина трубы в луче, м 200 200 50 60 60 80 200

Диаметр трубы, мм 25 25 25 25/40 25/40 25 25

Диаметр отверстия, мм 2.6 2.6 2.6 3.4 3.4 2.6 2.6

Максимальная защищаемая площадь, м2 2000 2000 500 800 800 1200 1600

Количество фильтров, шт. 2 2 2 Нет Нет 1 2

Количество уровней пожарной опасности, шт. 4 4 2 1 4 1 4

Габариты, мм 350 х 225 х 125 350 х 225 х 125 225 х 225 х 85 285 х 360 х 126 317 х 225 х 105 285 х 360 х 126 225 х 225 х 95

Вес, кг 4,0 4,0 1,9 2,7 3,4 2,7 3,5

Работа в сети VESDANet (99 устройств) VESDANet (99 устройств) VESDANet (99 устройств) Нет LaserNet (127 устройств) Нет VESDANet (99 устройств)

Режим автокомпенсации AutoLearntm программируется AutoLearntm программируется AutoLearntm программируется Нет Есть Нет Программируется

На российском рынке в настоящее время сертифицированы аспирационные пожарные извещате-ли следующих ведущих западных компаний:

"Vision Fire & Security" (Австралия) - извеща-тели пожарные дымовые аспирационные серии VESDA Laser PLUS (рис. 6), VESDA Laser SCANNER (рис. 7), VESDA Laser COMPACT (рис. 8);

"Schrack Seconet AG" (Австрия) - извещатели пожарные дымовые аспирационные RAS ASD

515-1 (FG030140), производство "Securiton-Hekatron", Германия (рис. 9);

"Fittich AG" (Швейцария) - извещатели пожарные дымовые аспирационные RAS ASD 515-1, производство "Securiton-Hekatron", Германия;

"MINIMAX GmbH" (Германия) - извещатели пожарные аспирационные АМХ 4002.

В таблице представлены сравнительные характеристики некоторых типов аспирационных пожарных извещателей.

В Российской Федерации ежедневно происходит около 700 пожаров, на которых погибает более 50 человек. Поэтому сохранение жизни людей остается одной из важнейших задач всех систем безопасности. В последнее время все больше обсуждается тема раннего обнаружения пожара.

Разработчики современной противопожарной техники соревнуются в повышении чувствительности пожарных извещателей к основным признакам пожара: теплу, оптическому излучению от пламени и концентрации дыма. В этом направлении проводится огромная работа, но все пожарные извещатели срабатывают, когда хотя бы небольшой пожар уже возник. И мало кто обсуждает тему обнаружения возможных признаков пожара. Однако приборы, которые могут регистрировать не пожар, а лишь угрозу или вероятность появления пожара, уже разработаны. Это – газовые пожарные извещатели.

Сравнительный анализ

Известно, что пожар может возникнуть как от внезапной аварийной ситуации (взрыв, короткое замыкание), так и при постепенном накоплении опасных факторов: скоплении горючих газов, паров, перегрева вещества выше точки воспламенения, тления изоляции проводов электрокабелей от перегрузки, гниения и разогрева зерна и т.п.

На рис. 1 представлен график типичной реакции газового пожарного извещателя на пожар, начинающийся с горящей сигареты, упавшей на матрас. Из графика видно, что газовый извещатель реагирует на монооксид углерода через 60 мин. после попадания горящей сигареты на матрас, в этом же случае фотоэлектрический дымовой извещатель реагирует через 190 мин., ионизационный дымовой – через 210 мин., что значительно увеличивает время для принятия решения об эвакуации людей и ликвидации очага пожара.

Если фиксировать комплекс параметров, который может привести к началу пожара, то можно (не дожидаясь появления пламени, дыма) изменить обстановку и избежать пожара (аварии). При раннем получении сигнала от газового пожарного извещателя обслуживающий персонал успеет предпринять меры к ослаблению или устранению фактора угрозы. Например, это может быть проветривание помещения от горючих паров и газов, при перегреве изоляции – выключение питания кабеля и переход на использование резервной линии, при коротком замыкании на электронной плате вычислительных и управляемых машин – тушение локального пожара и удаление неисправного блока. Таким образом, именно человек принимает окончательное решение: вызывать пожарную охрану или устранять аварию своими силами.

Виды газовых извещателей

Все газовые пожарные извещатели различаются по типу сенсора:
- металлооксидные,
- термохимические,
- полупроводниковые.

Металлооксидные сенсоры

Изготавливаются металлооксидные сенсоры на основе толстопленочной микроэлектронной технологии. В качестве подложки используется поликристаллическая окись алюминия, на которую с двух сторон наносятся нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой (рис. 2). Чувствительный элемент помещен в корпус, защищенный проницаемой для газа оболочкой, удовлетворяющей всем требованиям взрывопожаробезопасности.

Металлооксидные сенсоры предназначены для определения концентраций горючих газов (метан, пропан, бутан, водород и т.д.) в воздухе в интервале концентраций от тысячных до единиц процентов и токсичных газов (СО, арсин, фосфин, сероводород и т.д.) на уровне предельно допустимых концентраций, а также для одновременного и селективного определения концентраций кислорода и водорода в инертных газах, например в ракетной технике. Кроме того, они имеют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность, необходимую для нагрева (менее 150 мВт), и могут применяться в сигнализаторах утечки газов и системах противопожарной сигнализации как стационарных, так и носимых.

Термохимические газосигнализаторы

Среди методов, применяемых для определения концентрации в атмосферном воздухе горючих газов или паров горючих жидкостей, используется термохимический метод. Его сущность заключается в измерении теплового эффекта (дополнительного повышения температуры) от реакции окисления горючих газов и паров на каталитически активном элементе датчика и дальнейшем преобразовании полученного сигнала. Датчик сигнализатора, используя этот тепловой эффект, формирует электрический сигнал, пропорциональный концентрации горючих газов и паров с различными коэффициентами пропорциональности для различных веществ.

При горении различных газов и паров термохимический датчик выдает сигналы, разные по величине. Одинаковым уровням (в % НКПР) различных газов и паров в воздушных смесях соответствуют неравные выходные сигналы датчика.

Термохимический датчик не избирателен. Его сигнал характеризует уровень взрывоопасности, определяемый суммарным содержанием горючих газов и паров в воздушной смеси.

В случае контроля совокупности компонентов, в которой содержание отдельных, заранее известных горючих компонентов колеблется от нуля до какой-то концентрации может привести к погрешности контроля. Такая погрешность существует и при нормальных условиях. Этот фактор необходимо учитывать для задания границ диапазона сигнальных концентраций и допуском на их изменение – пределом допускаемой основной абсолютной погрешности срабатывания. Пределы измерения сигнализатора – это наименьшее и наибольшее значение концентрации определяемого компонента, в рамках которых сигнализатор осуществляет измерение с погрешностью, не превышающей заданную.

Описание измерительной схемы

Измерительная схема термохимического преобразователя представляет собой мостовую схему (см. рис. 2). Чувствительный В1 и компенсирующий В2 элементы, расположенные в датчике, включены в мостовую схему. Вторая ветвь моста – резисторы R3–R5 находятся в блоке сигнализации соответствующего канала. Мост балансируется резистором R5.

При каталитическом горении воздушной смеси горючих газов и паров на чувствительном элементе В1 происходит выделение тепла, увеличение температуры и, следовательно, увеличение сопротивления чувствительного элемента. На компенсирующем элементе В2 горения не происходит. Сопротивление компенсирующего элемента изменяется при его старении, изменении тока питания, температуры, скорости движения контролируемой смеси и т.п. Эти же факторы действуют и на чувствительный элемент, что значительно уменьшает вызванный ими разбаланс моста (дрейф нуля) и погрешность контроля.

При стабильном питании моста, стабильной температуре и скорости контролируемой смеси разбаланс моста со значительной степенью точности является результатом изменения сопротивления чувствительного элемента.

В каждом канале устройство питания моста датчика обеспечивает регулированием тока постоянную оптимальную температуру элементов. В качестве датчика температуры, как правило, используется сам же чувствительный элемент В1. Сигнал разбаланса моста снимается с диагонали моста ab.

Полупроводниковые газовые сенсоры

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Этот принцип позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным оптическим, тепловым и дымовым сигнализаторам (извещателям), в том числе содержащим радиоактивный плутоний. А высокую чувствительность (для водорода от 0,00001% объемного), селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых сенсоров следует рассматривать как основное их преимущество перед другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обуславливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические характеристики.

Полупроводниковые газочувствительные сенсоры – это высокотехнологичные элементы с низким энергопотреблением (от 20 до 200 мВт), высокой чувствительностью и увеличенным быстродействием до долей секунд. Металлооксидные и термохимические сенсоры являются слишком дорогостоящими для такого использования. Внедрение в производство газовых пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсоров, изготавливаемых по групповой технологии, позволяет намного снизить стоимость газовых извещателей, что немаловажно для массового применения.

Нормативные требования

Нормативные документы на газовые пожарные извещатели еще не разработаны в полной мере. Имеющиеся ведомственные требования РД БТ 39-0147171-003-88 распространяются на объекты нефтяной и газовой промышленности. В НПБ 88-01 по размещению газовых пожарных извещателей сказано, что их следует устанавливать в помещениях на потолке, стенах и других строительных конструкциях зданий и сооружений в соответствии с инструкцией по эксплуатации и рекомендациями специализированных организаций.

Однако в любом случае, для того чтобы точно рассчитать количество газовых извещателей и правильно произвести их установку на объекте, предварительно необходимо знать:
- параметр, по которому контролируется безопасность (тип газа, который выделяется и свидетельствует об опасности, например CO, CH4, H2 и т.д.);
- объем помещения;
- назначение помещения;
- наличие систем вентиляции, подпора воздуха и т.д.

Резюме

Газовые пожарные извещатели – это приборы следующего поколения, и поэтому они еще требуют от отечественных и зарубежных компаний, занимающихся противопожарными системами, новых научно-исследовательских изысканий по разработке теории газовыделения и распространения газов в помещениях разных по назначению и эксплуатации, а также проведению практических экспериментов для разработки рекомендаций по рациональному размещению таких извещателей.

К сожалению, у нас далеко не все так же понимают тех преимуществ, которые дают адресно-аналоговые системы, а некоторые вообще сводят их достоинства к "заботе о курильщиках". Поэтому давайте так же раз посмотрим, что же все-таки нам дают адресно-аналоговые системы.

Важно не только вовремя обнаружить, но и вовремя предупредить

Напомню, что различают три класса систем пожарной сигнализации: неадресные, адресные, адресно-аналоговые.

В неадресных и адресных системах "решение о пожаре" принимается непосредственно самим извещателем и затем передается на приемно-контрольный прибор.

Адресно-аналоговые системы являются по своей сути телеметрическими системами. На приемно-контрольный прибор передается значение контролируемого извещателем параметра (температура, задымленность в помещении). Приемно-контрольный прибор постоянно отслеживает состояние окружающей среды во всех помещениях здания и на основании этих данных принимает решение не только о формировании сигнала "Пожар", но и сигнала "Предупреждение". Особо подчеркнем, что "решение" принимает не извещатель, а приемно-контрольный прибор. Теория гласит, что если построить график интенсивности пожара в зависимости от времени, то он будет иметь вид типа параболы (рис. 1). На начальном этапе развития пожара его интенсивность невелика, затем она возрастает и далее наступает лавинообразный цикл. Если бросить непотушенный окурок в корзину с бумагами, сначала будет наблюдаться их тление с выделением дыма, затем появится пламя, оно перекинется на мебель и далее начнется интенсивное развитие пожара, с которым справиться уже непросто.

Получается, что если возгорание выявлено на ранней стадии, его легко ликвидировать с помощью стакана воды или обычного огнетушителя и ущерб от него будет минимален. Именно это и позволяют сделать адресно-аналоговые системы. Если, например, неадресный (или адресный) тепловой извещатель обеспечивает формирование сигнала "Пожар" при температуре 60 °С, то до достижения этого значения дежурный не видит на приемноконтрольном приборе никакой информации о том, что происходит в помещении. А все - таки это предполагает уже значительный очаг пожара. Аналогичная ситуация наблюдается и с дымовыми извещателями, где должен быть достигнут необходимый уровень задымленности.

Адресное не значит адресно-аналоговое

Адресно-аналоговые системы, постоянно контролируя состояние среды в помещении, немедленно выявляют начавшееся изменение температуры или задымленности и выдают дежурному предупреждающий сигнал. Поэтому адресно-аналоговые системы обеспечивают раннее обнаружение пожара. Это значит, что пожар легко ликвидировать с минимальным ущербом для здания.

Подчеркнем, что "водораздел" находится не м. неадресными системами, с одной стороны, и адресными и адресно-аналоговыми – с другой, а м. адресно-аналоговыми и остальными системами.

В реальных адресно-аналоговых приборах имеется принцип. возможность индивидуально задавать не только уровни формирования сигналов "Пожар" и "Предупреждение" для каждого извещателя, но и определять логику их совместной работы. Другими словами, мы получаем в руки инструмент, позволяющий оптимальным образом формировать систему раннего обнаружения пожара для каждого объекта с учетом его индивидуальных особенностей, т.е. мы имеем принцип. возможность оптимально строить систему пожарной безопасности объекта.

Попутно решается так же ряд важных задач, например контроль работоспособности извещателей. Так, в адресно-аналоговой системе в принципе не может быть неисправного извещателя, не выявленного приемно-контрольным прибором, так как все время извещатель должен передавать определенный сигнал. Если к этому добавить мощную самодиагностику самих извещателей, автоматическую компенсацию запыленности и выявление запыленных дымовых извещателей, то становится очевидным, что эти факторы только повышают эффективность адресно-аналоговых систем.

Основные особенности

Важным компонентом адресно-аналоговых приборов является построение шлейфов сигнализации. протокол работы шлейфа является ноухау фирмы и составляет коммерческую тайну. Вместе с тем именно он во многом определяет характеристики системы. изучим наиболее характерные особенности адресно-аналоговых систем.

Число извещателей в шлейфе

Обычно оно составляет от 99 до 128 и ограничено энергетическими возможностями организации питания извещателей. В ранних моделях адресация извещателей производилась с помощью механических переключателей, в более поздних моделях переключатели отсутствуют, а адрес заносится в энергонезависимую память датчика.

Кольцевой шлейф сигнализации

В принципе большинство адресноаналоговых приборов способны работать и с радиальным шлейфом. но есть вероятность "потерять" большое количество извещателей из-за обрыва шлейфа. Поэтому кольцевой шлейф – средство повышения живучести системы. При его обрыве прибор формирует соответствующее извещение, но обеспечивает работу с каждым полукольцом, сохраняя тем самым работоспособность всех извещателей.

Устройства локализации коротких замыканий

Это тоже средство повышения "живучести" системы. Обычно данные устройства устанавливаются через 20–30 извещателей. При коротком замыкании в шлейфе ток в нем возрастает, что фиксируется двумя устройствами локализации, и неисправный участок отключается. из строя выходит лишь сегмент шлейфа м. двумя устройствами локализации коротких замыканий, а вся остальная его часть остается работоспособной за счет кольцевой организации подключения.

В современных системах встроенным устройством локализации коротких замыканий оснащен каждый извещатель или модуль. При этом за счет существенного снижения цен на электронные компоненты стоимость датчиков фактически не увеличилась. Такие системы практически не страдают от коротких замыканий шлейфов.

Стандартный набор извещателей

Он, включает в себя дымовой оптоэлектронный, тепловой максимальной температуры, тепловой максимально-дифференциальный, комбинированный (дымовой плюс тепловой) и ручной извещатели. Этих извещателей обычно достаточно, чтобы защитить основные виды помещений в здании. Некоторые производители дополнительно предлагают и достаточно экзотические виды датчиков, например, адресно-аналоговый линейный извещатель, оптический дымовой извещатель для помещений с высоким уровнем загрязнения, оптический дымовой извещатель для взрывоопасных помещений и др. Все это расширяет сферу применения адресно-аналоговых систем.

Модули контроля неадресного подшлейфа

Они позволяют использовать неадресные извещатели. Это сокращает стоимость системы, но при этом, естественно, свойства, присущие адресно-аналоговой аппаратуре, теряются. В ряде случаев такие модули могут с успехом использоваться для подключения обычных линейных дымовых извещателей или создания взрывобезопасных шлейфов.

Модули управления и контроля

Они включаются непосредственно в шлейфы сигнализации. Обычно число модулей соответствует числу извещателей в шлейфе, а их адресное поле является дополнительным и не накладывается на адреса извещателей. В некоторых системах адресное поле извещателей и модулей является общим.

Общее количество подключенных модулей может составлять несколько сотен. Именно это свойство и позволяет на базе адресно-аналоговой системы пожарной сигнализации СПС осуществить интеграцию систем автоматической пожарной защиты здания (рис. 2).

При интеграции осуществляется управление исполнительными устройствами и контроль их срабатывания. Количество точек контроля и управления как раз и составляет несколько сотен.

Разветвленная логикаформирования управляющихсигналов

Это непременный атрибут адресноаналоговых приемно-контрольных приборов. Именно мощные логические функции обеспечивают построение единой системы автоматической пожарной защиты здания. Среди этих функций и логика формирования сигнала "Пожар" (например, по двум сработавшим извещателям в группе), и логика включения модуля управления (например, при каждом сигнале "Пожар" в системе или при сигнале "Пожар" в данной группе), и принцип. возможность задания временных параметров (например, при сигнале "Пожар" включить через время Т1 модуль управления М на время Т2). Все это позволяет эффективно строить на базе стандартных элементов даже мощные комплексы газового пожаротушения.

И не только раннее обнаружение

Сам принцип построения адресно-аналоговых систем позволяет помимо раннего обнаружения пожара получить так же ряд уникальных качеств, например, повышение помехоустойчивости системы. Поясним это на примере.

На рис. 3 представлены несколько последовательных циклов опроса (n) прибором теплового адресно-аналогового извещателя. Для простоты понимания по оси ординат отложим не длительность сигнала от извещателя, а сразу соответствующее ей значение температуры. Пусть на цикле опроса 4 прошел ложный сигнал от извещателя или искажение длительности ответа извещателя под воздействием электромагнитных помех что воспринятое прибором значение соответствует температуре 80 °С. по пришедшему ложному сигналу прибором должен быть сформирован сигнал "Пожар", т.е. произойдет ложное срабатывание аппаратуры.

В адресно-аналоговых системах этого можно избежать за счет введения алгоритма усреднения. Для примера введем усреднение по трем последовательным отсчетам. значение параметра для "принятия решения" о пожаре будет являться суммой значений по трем циклам, поделенной на 3:

• для циклов 1, 2, 3 Т=60:3=20 °С – ниже порога;
• для циклов 2, 3, 4 Т=120:3=40 °С – ниже порога;
• для циклов 3, 4, 5 Т=120:3=40 °С – ниже порога.

То есть при пришедшем ложном отсчете сигнал "Пожар" не сформирован. При этом хочется обратить особенное внимание на то, что поскольку "решение" принимает приемно-контрольный прибор, никакие пересбросы и перезапросы извещателей не нужны.

Заметим, что если пришедший сигнал не является ложным, значит на циклах 4 и 5 значение параметра соответствует 80 °С, то при данном усреднении сигнал будет сформирован, так как Т=180:3=60 °С, значит соответствует порогу формирования сигнала "Пожар".

Что в итоге?

Итак, мы убедились, что благодаря своим уникальным свойствам адресноаналоговые системы являются эффективным средством обеспечения пожарной безопасности объектов. Число извещателей в таких системах может составлять несколько десятков тысяч, что достаточно для самых грандиозных проектов.

Рынок адресно-аналоговых систем за рубежом за последние несколько лет имеет устойчивую тенденцию к росту. Доля адресно-аналоговых систем в общем объеме производства уверенно превысила 60%., массовый выпуск адресноаналоговых извещателей привел к снижению их стоимости, что явилось дополнительным стимулом к расширению рынка.

К сожалению, у нас доля адресно-аналоговых систем составляет по различным оценкам от 5 до 10%. Отсутствие системы страхования и действующие нормативы не способствуют внедрению качественной аппаратуры и часто применяется наиболее дешевая техника. Тем не менее определенные сдвиги уже наметились, и думается, что мы стоим на пороге кардинального изменения рынка. Только за последние годы стоимость оптического дымового адресно-аналогового извещателя в России уменьшилась примерно в 2 раза, что делает их более доступными. Без адресно-аналоговых систем немыслимо обеспечение безопасности высотных зданий, многофункциональных комплексов и ряда других категорий объектов.

(световые, тепловые, дымовые) способны только на сообщение: «Горим! Пора тушить очаг возгорания!» Но другого и быть не может, поскольку работа их датчиков основана на таких физических принципах, как детектирование света, тепловыделения или задымленности. Получить сообщение «Внимание! Здесь возможно возгорание!» можно только установив постоянный контроль над газодинамическим составом воздушной среды помещений. Такой контроль позволит принять адекватные меры по предупреждению пожара и его ликвидации в зародыше. Этим и интересен разработанный специалистами НПП «Гамма» способ раннего обнаружения пожара с использованием полупроводниковых химических сенсоров, который был отмечен дипломами и золотыми медалями на международных выставках «Брюссель-Эврика 2000» и «Женева 2001».

Так, достоверный способ предупреждения пожара на ранней стадии, предшествующей возгоранию,— это контроль химического состава воздуха, который резко изменяется из-за термического разложения перегретых или начинающих тлеть горючих материалов. На этой стадии еще эффективны превентивные меры. Например, в случае перегрева электроприборов (утюга или электрокамина) они могут быть вовремя автоматически отключены по сигналу с газового датчика.

Состав выделяющихся при горении газов

Ряд газов, выделяющихся на начальной стадии горения (тления), определяются составом именно тех материалов, которые участвуют в этом процессе. Однако в большинстве случаев можно уверенно выделить и основные характерные газовые компоненты. Подобные исследования проводились в Институте пожарной безопасности (г.Балашиха Московской обл.) с использованием стандартной камеры объемом 60 м 3 для имитации пожара. Состав выделяющихся при горении газов определялся при помощи хроматографии. Эксперименты дали следующие результаты.

Водород (Н 2) — основной компонент выделяемых газов на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве, таких как древесина, текстиль, синтетические материалы. На начальной стадии пожара, в процессе тления, концентрация водорода составляет 0,001-0,002%. В дальнейшем происходит рост содержания ароматических углеводородов на фоне присутствия недоокисленного углерода — оксида углерода (СО) — 0,002-0,008%. При появлении пламени растет концентрация диоксида углерода (СО 2) до уровня 0,1%, что соответствует сгоранию 40-50 г древесины или бумаги в закрытом помещении объемом 60 м 3 и эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. Такой уровень СО2 достигается также в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 ч.

Эксперименты показали, что порог обнаружения системы раннего предупреждения пожара в атмосферном воздухе при нормальных условиях должен находиться для большинства газов, в том числе водорода и оксида углерода, на уровне 0,002%. Желательно, чтобы быстродействие системы было не хуже 10 с. Такой вывод можно рассматривать как основополагающий для разработок целого ряда предупреждающих пожарных газовых сигнализаторов.

Существующие средства газоанализа экологической направленности (в том числе на электрохимических, термокаталитических и других сенсорах) слишком дороги для такого использования. Внедрение в производство пожарных извещателей на основе полупроводниковых химических сенсоров, изготавливаемых по групповой технологии, позволит резко снизить стоимость газовых сенсоров.

Полупроводниковые газовые датчики

Принцип действия полупроводниковых газовых сенсоров основан на изменении электропроводности полупроводникового газочувствительного слоя при химической адсорбции газов на его поверхности. Это обстоятельство позволяет эффективно использовать их в приборах пожарной сигнализации как альтернативные устройства традиционным оптическим, тепловым и дымовым сигнализаторам, в том числе содержащим радиоактивный плутоний. А высокую чувствительность (для водорода — от 0,000001%!), селективность, быстродействие и дешевизну полупроводниковых газовых датчиков следует рассматривать как основные их преимущества перед другими типами пожарных извещателей. Используемые в них физико-химические принципы детектирования сигналов сочетаются с современными микроэлектронными технологиями, что обусловливает низкую стоимость изделий при массовом производстве и высокие технические и энергосберегающие характеристики.

Для того, чтобы физико-химические процессы протекали на поверхности чувствительного слоя достаточно быстро, обеспечивая быстродействие на уровне нескольких секунд, сенсор периодически разогревается до температуры 450-500°С, что активизирует его поверхность. В качестве чувствительных полупроводниковых слоев обычно используют мелкодисперсные оксиды металлов (SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 и др.) с легирующими добавками Pl, Pd и др. Благодаря структурной пористости формируемых материалов, достигаемой с помощью некоторых технологических приемов, их удельная поверхность — около 30 м 2 /г. Нагревателем служит резистивный слой, выполненный из инертных материалов (Pl, RuO 2 , Au и др.) и электрически изолированный от полупроводникового слоя.

При кажущейся простоте такие методы формирования сконцентрировали в себе все последние достижения материаловедения и микроэлектронной технологии. Это обусловило высокую конкурентоспособность сенсора, который может работать несколько лет, периодически находясь в «стрессовом» состоянии при разогреве до 500°С, сохраняет при этом высокие эксплутационные характеристики, чувствительность, стабильность, селективность и потребляет низкую мощность (в среднем несколько десятков милливатт). Промышленное производство полупроводниковых сенсоров широко развито во всем мире, но основная доля мирового рынка приходится на японские компании. Признанный лидер в этой области — фирма Figaro с годовым объемом производства сенсоров около 5 млн. шт. и масштабным производством приборов на их основе, включая элементную базу и схемотехнические решения с программируемыми устройствами.

Однако ряд особенностей производства полупроводниковых сенсоров затрудняют его совместимость с традиционной кремниевой технологией в рамках замкнутого цикла. Объясняется это тем, что сенсоры — не столь массовое изделие, как микросхемы, и имеют больший разброс параметров из-за специфики условий работы (зачастую в агрессивной среде). Их производство требует очень специфичного ноу-хау в области физической химии, материаловедения и т.д. Поэтому успех здесь сопутствует крупным специализированным фирмам (например, Microchemical Instrument — европейский филиал Motorola), которые не спешат делиться своими разработками в области высоких технологий. К сожалению, в России и СНГ эта отрасль никогда не была хорошо развита, несмотря на достаточное число исследовательских групп — РНЦ «Курчатовский институт», МГУ, ЛГУ, Воронежский государственный университет, ИОНХ РАН, НИФХИ им. Карпова, Саратовский университет, Новгородский университет и т. д.

Отечественные разработки полупроводниковых сенсоров

Наиболее развитая технология производства полупроводниковых сенсоров предложена в РНЦ «Курчатовский институт». Здесь разработаны малогабаритные полупроводниковые сенсоры для анализа химического состава газов и жидкостей. Они изготавливаются по микроэлектронной технологии и сочетают в себе достоинства микроэлектронных устройств — низкую стоимость при массовом производстве, миниатюрность, низкую потребляемую мощность — с возможностью измерения концентрации газов и жидкостей в широких пределах и с достаточно высокой точностью. Разработанные приборы делятся на две группы: металлооксидные и структурные полупроводниковые сенсоры.

Металлооксидные сенсоры. Изготавливаются по толстопленочной технологии. В качестве подложки в них использован поликристаллический оксид алюминия, на который с двух сторон нанесены нагреватель и металлооксидный газочувствительный слой. Чувствительный элемент помещен в газопроницаемый корпус, удовлетворяющий требованиям взрывопожаробезопасности.

Сенсоры способны определять концентрацию горючих газов (метана, пропана, бутана, водорода и т.д.) в воздухе в интервале от 0,001% до единиц процентов, а также токсичных газов (угарного газа, арсина, фосфина, сероводорода и т.д.) на уровне предельно допустимой концентрации (ПДК). Они могут быть также использованы для одновременного и селективного определения концентрации кислорода и водорода в инертных газах, например для ракетной техники. Для нагрева эти приборы требуют рекордно низкую для своего класса электрическую мощность — менее 150 мВт. Металлооксидные сенсоры предназначены для применения в сигнализаторах утечки газов и системах пожарной сигнализации (как стационарных, так и карманных).

Структурные полупроводниковые сенсоры. Это сенсоры на основе кремниевых структур металл-диэлектрик-полупроводник (МДП), металл-твердый электролит-полупроводник и диоды Шотки.

МДП-структуры с затвором из палладия или платины используются для определения концентрации водорода в воздухе или инертных газах. Порог обнаружения водорода — порядка 0,00001%. Сенсоры успешно применялись для определения концентрации водорода в теплоносителе ядерных реакторов с целью поддержания их безопасности. Структуры с твердым электролитом (трифторид лантана, проводящий по ионам фтора) предназначены для определения концентрации фтора и фторидов (прежде всего фтористого водорода) в воздухе. Работают при комнатной температуре, позволяют определять концентрацию фтора и фтористого водорода на уровне 0,000003%, что составляет примерно 0,1 ПДК. Измерение утечек фтористого водорода особенно важно для определения экологической обстановки в регионах с крупным производством алюминия, полимеров, ядерного топлива.

Подобные структуры, выполненные на основе карбида кремния и работающие при температуре около 500 °С, могут использоваться для измерения концентрации фреонов.

Индикатор оксида углерода и водорода СО-12

Отмеченный на международных выставках способ раннего обнаружения пожара обеспечивает одновременный контроль относительных концентраций в воздухе двух или более газов, таких как ароматические углеводороды, водород, оксид и диоксид углерода. Полученные значения сравниваются с заданными, и в случае их совпадения формируется сигнал тревоги. Контроль и сравнение относительных концентраций газовых компонент проводятся с заданной периодичностью. Возможность ложных срабатываний измерительного устройства при повышении концентрации одного из газов исключена, если нет возгорания.

В качестве измерительного устройства предложен индикатор СО-12, предназначенный для обнаружения в воздушной атмосфере газообразного оксида углерода и водорода в диапазоне их концентраций от 0,001 до 0,01%. Прибор представляет собой девятиуровневый пропорциональный индикатор в виде линейки светодиодов трех цветов — зеленого (диапазон малых концентраций), желтого (средний уровень) и красного (высокий уровень). Каждому диапазону соответствуют три светодиода. При загорании красных светодиодов включается звуковой сигнал, предостерегающий людей об опасности отравления.

Принцип работы индикатора основан на регистрации изменения сопротивления (R) полупроводникового газочувствительного сенсора, температура которого стабилизируется на уровне 120 °С в процессе измерений.

При этом нагревательный элемент включен в обратную связь операционного усилителя — терморегулятора — и периодически, каждые 6 с, отжигается в течение 0,5 с при температуре 450 °С. Далее следует изотермическая релаксация сопротивления R при взаимодействии с угарным газом. Измерение R осуществляется перед следующим отжигом (рис. 3, точка C, далее следует отжиг — О). Процессом измерения и выводом на индикатор данных управляет программируемое устройство.

Его основные технические характеристики:

Индикатор можно эффективно использовать в качестве пожарного сигнального устройства как в жилых помещениях, так и на промышленных объектах. Дачные домики, коттеджи, бани, сауны, гаражи и котельные, предприятия с производством, основанном на использовании открытого огня и термообработки, предприятия горнодобывающей, металлургической и нефтегазоперерабатывающей промышленности и, наконец, автомобильный транспорт — вот далеко не полный список объектов, где индикатор СО-12 может быть полезен.

Подобные пожарные извещатели раннего обнаружения, объединенные в единую сеть и контролирующие газовыделение при тлении материалов перед их возгоранием, при размещении на промышленных объектах позволяют предупредить аварийные ситуации не только на наземных объектах пожарной охраны, но и в подземных сооружениях, угольных разрезах, где в результате перегрева оборудования, транспортирующего уголь, может произойти возгорание угольной пыли. Каждый датчик, имеющий световой и звуковой сигналы оповещения, способен не только информировать о степени загазованности территории, но и предупредить об опасности персонал, находящийся в непосредственной близости к экстремальному месту. Стационарные пожарные датчики, установленные в жилых помещениях, могут предотвратить взрыв бытового газа, отравление угарным газом и возникновение пожара из-за неисправности бытовой техники или грубого нарушения условий ее эксплуатации путем автоматического отключения от сети.

Электроника №4, 2001