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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Allarme antincendio ad ultrasuoni. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Sicurezza e protezione Il dispositivo di allarme proposto è destinato a sistemi di monitoraggio distribuiti di oggetti a rischio di incendio estesi, ad esempio tubazioni del carburante, cavi elettrici, gasdotti, serbatoi con sostanze infiammabili, nonché varie unità. Reagisce all'effetto termico della fiamma. L'elemento sensibile è una guida d'onda ultrasonica, realizzata sotto forma di un filo flessibile di metallo resistente al calore, equivalente ad un numero di sensori di temperatura distribuiti lungo la sua lunghezza. Il design a corda consente di adagiare tale elemento lungo la superficie dell'oggetto controllato, seguendone la forma. Sono noti dispositivi di allarme antincendio di emergenza, il cui elemento sensibile è realizzato sotto forma di un tubo allungato resistente al calore riempito con un materiale bassofondente, e attraverso di esso avviene un collegamento acustico tra l'emettitore e il ricevitore di ultrasuoni, posti in corrispondenza estremità opposte del tubo [1, 2]. Il materiale al suo interno si scioglie quando viene riscaldato da una fiamma, a seguito della quale cambia la connessione acustica tra l'emettitore e il ricevitore, che funge da base per la formazione di un segnale di allarme. Lo svantaggio di tali dispositivi è la struttura complessa dell'elemento sensibile, che dovrebbe impedire la fuoriuscita del materiale fuso dal tubo. Inoltre la temperatura di risposta è sempre pari alla temperatura di fusione del materiale che riempie l'elemento sensibile. Può essere regolato solo modificando la sua composizione chimica. In pratica per condizioni diverse è necessario disporre di una dotazione di elementi sensibili realizzati in materiali diversi, il che non sempre è accettabile. Il dispositivo di allarme descritto in [3] funziona secondo un principio simile, ma l'elemento sensibile (guida d'onda ultrasonica) in esso contenuto non è costituito da un tubo, ma da un filo solido resistente al calore. Il suo vantaggio è la semplicità del design dell'elemento sensibile. Il segnale all'ingresso del dispositivo ricevente cambia a causa di complessi fenomeni di interferenza che si verificano nella guida d'onda a ultrasuoni quando la velocità di propagazione dell'onda cambia a causa del suo riscaldamento. La temperatura di risposta può essere regolata modificando la soglia dell'unità di confronto all'uscita del ricevitore. Lo svantaggio è che per ottenere la sensibilità desiderata è spesso necessario regolare la frequenza delle vibrazioni ultrasoniche generate. Il fatto è che senza di esso il segnale ricevuto durante un incendio può diminuire o aumentare e l'unità di confronto nel dispositivo [3] reagisce solo alla sua diminuzione. Gli allarmi discussi sopra presentano un altro inconveniente comune. Dovrebbero avere due trasduttori piezoacustici: trasmittente e ricevente, installati alle diverse estremità dell'elemento sensibile. Ciò complica la progettazione dell'allarme nel suo insieme e in alcuni casi ne complica l'installazione sul posto. Il rivelatore d'incendio proposto è esente dagli svantaggi di cui sopra. Principali caratteristiche tecniche
La struttura dell'allarme è mostrata in Fig. 1. Comprende un generatore di segnali di frequenza ultrasonica Г, amplificatori di potenza UM1 e UM2, un trasduttore piezoacustico PP con una guida d'onda ultrasonica (elemento sensibile) ad esso collegata, un equivalente resistivo di un trasduttore piezoelettrico EPP, sensori per la corrente consumata dagli amplificatori UM1 e UM2 DT1 e DT2 , telecomando amplificatore differenziale, circuito integrato AND, dispositivi soglia PU1 e PU2, unità di segnalazione incendio IND. I nodi UM 1 e UM2, DT1 e DT2 sono identici a coppie. Il segnale di frequenza ultrasonica dall'uscita del generatore G viene fornito agli ingressi degli amplificatori UM1 e UM2. Un trasduttore piezoelettrico ad ultrasuoni PP è collegato all'uscita di UM1 e il suo equivalente è collegato all'uscita di UM2 Il PP eccita vibrazioni ultrasoniche longitudinali nell'elemento sensibile della guida d'onda, che si propagano alla sua estremità, vengono riflesse e ritornano al trasduttore. Di conseguenza, nella guida d'onda si forma un'onda acustica stazionaria. Questa modalità corrisponde ad una certa impedenza acustica di ingresso della guida d'onda, che funge da carico per il PP, da cui dipendono la potenza prelevata dal PP dal PA1 e la corrente consumata da questo amplificatore dalla fonte di alimentazione. In assenza di fuoco tutti questi parametri rimangono invariati. Tuttavia, quando una sezione della guida d'onda viene riscaldata da una fiamma, la velocità di propagazione degli ultrasuoni lungo di essa cambia. Di conseguenza, il modello delle onde stazionarie e l'impedenza acustica di ingresso della guida d'onda cambiano. Il risultato di ciò è la deviazione della corrente consumata da PA1 dal valore di regime. La resistenza dell'equivalente resistivo dell'emettitore EPP collegato all'uscita di UM2 è selezionata in modo tale che in assenza di incendio i valori di corrente consumati da UM1 e UM2 siano uguali. In questo caso i valori di tensione forniti dai sensori di corrente DT1 e DT2 agli ingressi dell'amplificatore differenziale del telecomando, che ne calcola la differenza, non differiscono.
Il segnale di uscita del telecomando, dopo aver attraversato il circuito integratore AND, che ne indebolisce ulteriormente la componente ultrasonica, arriva agli ingressi dei dispositivi a soglia PU1 e PU2. Uno di questi è configurato in modo tale da rispondere ad un aumento della tensione rispetto a un valore stazionario e il secondo alla sua diminuzione. Quando viene attivato un qualsiasi dispositivo di soglia, l'unità di indicazione IND genera segnali di allarme sonori e luminosi. Dopo che l'incendio è stato eliminato e l'elemento sensibile si è raffreddato, l'allarme è nuovamente pronto per il funzionamento. Altri fattori destabilizzanti (ad esempio variazioni della tensione di alimentazione) non violano la reciproca uguaglianza della corrente consumata da UM1 e UM2, quindi non viene generato un segnale di allarme quando esposti ad essi.
Lo schema dell'allarme antincendio è mostrato in fig. 2 Il generatore G è montato sul comparatore DA1. Il suo segnale di uscita è una sequenza di impulsi rettangolari con un ciclo di lavoro di circa due. Il condensatore C2 e i resistori R4, R7 impostano la frequenza, il resistore di regolazione R7 offre la possibilità di modificare la frequenza degli impulsi. La loro ampiezza viene ridotta al valore desiderato dal partitore di tensione resistivo R9R10. Il condensatore C1 e il resistore R1 formano un filtro che riduce la penetrazione del rumore impulsivo che si verifica durante il funzionamento del generatore nel circuito di alimentazione del rilevatore. L'amplificatore UM1 è assemblato sui transistor VT3, VT4 e VT1 e l'amplificatore UM2 è assemblato su VT5 VT6 e VT2. Il fattore di amplificazione della tensione di ciascuno di essi è specificato rispettivamente dai rapporti di resistenza dei resistori da R13 a R1 1 e da R14 a R12. I resistori R15, R17 sono carichi di carico dei primi stadi dei corrispondenti amplificatori. I resistori R13, R14, R16 R18, R20-R23 stabilizzano la modalità DC degli amplificatori. I diodi VD1-VD4 impostano la tensione di polarizzazione dei transistor VT3-VT6. Il trasduttore piezoacustico BQ1 (PP) è collegato all'uscita di UM1. I resistori R24 e R25 costituiscono l'equivalente di tale convertitore (EPC) I sensori DT1 e DT2 sono resistori R19 e R26 collegati in serie nel circuito di potenza dell'amplificatore di potenza. Il telecomando è assemblato sull'amplificatore operazionale DA3. I resistori R27-R29, R33 ne impostano il guadagno. Resistori R30: R34 e il condensatore C9 assicurano il normale funzionamento dell'amplificatore operazionale con alimentazione unipolare. Il condensatore SY riduce l'ampiezza della tensione della frequenza ultrasonica tra gli ingressi del telecomando Il circuito integrato E è formato dal resistore R37 e dal condensatore C13. PU1 e PU2 sono montati rispettivamente sui comparatori DA4 e DA5. I divisori di tensione resistivi R31R35 e R32R36 impostano le loro soglie di risposta. Condensatori C11 e C12 - filtraggio L'unità di segnalazione incendio è composta da un emettitore sonoro elettromagnetico HA1 con un generatore integrato, un condensatore di filtro C14 e un LED lampeggiante HL2. Lo stabilizzatore integrato DA2 e i condensatori di filtro C3, C4 formano una sorgente di tensione di +15 V. LED HL1 con resistenza R8 è un'unità di indicazione per l'accensione del dispositivo. I componenti dell'allarme sono montati su una breadboard. Sono collegati tra loro da sottili fili isolati. L'elemento sensibile è un pezzo di filo di rame con un diametro di 2 mm e una lunghezza di 1,5 m, saldato ad un'estremità alla superficie di lavoro del trasduttore piezoacustico BQ1. Invece del comparatore K554SAZ, puoi utilizzare K554SAZB, K521SAZ, 521 SAZ o il loro analogo importato LM311 con indici diversi. L'amplificatore operazionale K140UD6 può essere sostituito con 140UD6A, 140UD6B, 140UD601A 140UD601B KR140UD6 KR140UD608 e altri amplificatori operazionali per uso generale. Analoghi importati dello stabilizzatore integrato KR142EN8V - 7815 con vari prefissi e indici. I transistor KT503G possono essere sostituiti con transistor della stessa serie o altri con parametri simili. I transistor KT814G, KT815G possono essere sostituiti con gli stessi con altri indici di lettere o rispettivamente con le serie KT816 e KT817. I diodi KD522B vengono sostituiti da altri diodi al silicio pulsati a bassa potenza, ad esempio delle serie KD503, KD521. Il LED AL307VM può essere qualsiasi altro e l'L-816BID può essere un LED lampeggiante, ad esempio L-796BID L'allarme utilizza condensatori all'ossido importati, ma sono adatti anche quelli domestici, ad esempio K50-35. Condensatori ceramici - K10-17a, K10-176 e altri simili. Resistori fissi - S2-33 con possibile sostituzione con S2-23, MLT, OMYAT Resistori trimmer - SP4-3, al posto di essi è possibile utilizzare SPZ-16a, SPZ-37, SPZ-ZEA e altri simili. L'emettitore di suono elettromagnetico NSM1212X può essere sostituito con NSM1612X. Il trasduttore piezoacustico BQ1 è un trasduttore senza cornice di fabbricazione straniera (presumibilmente del tipo VSB35EW-0701 B), al suo posto è possibile utilizzarne un altro con una frequenza di risonanza di 80 kHz. L'interruttore SA1 può essere di qualsiasi tipo, ad esempio MT-1. La creazione di un dispositivo di allarme correttamente assemblato inizia con l'impostazione della frequenza del generatore G utilizzando il resistore di regolazione R7 uguale alla frequenza di risonanza seriale del trasduttore piezoacustico BQ1. L'ampiezza del segnale di uscita di questo generatore dovrebbe essere di circa 1 V, che, se necessario, si ottiene selezionando il resistore R9. Selezionando i resistori R13 e R14, vengono impostate le modalità operative degli amplificatori (UM1 e UM2, rispettivamente) corrente continua in modo tale che i segnali massimi alle loro uscite abbiano la minima distorsione. L'uguaglianza dei guadagni di UM1 e UM2 alla frequenza operativa si ottiene selezionando i resistori R11 e R12. Il resistore di sintonia R25 viene utilizzato per bilanciare il dispositivo di segnalazione, ottenendo la tensione costante minima possibile tra i terminali del condensatore SY (ingressi del telecomando) con l'elemento sensibile riscaldato uniformemente a temperatura ambiente. Dopo il bilanciamento, la tensione costante all'uscita dell'amplificatore operazionale DA3 dovrebbe essere di circa 7,5 V, la metà della tensione di alimentazione del chip DA3. Se ora riscaldi piccole aree dell'elemento sensibile, ad esempio con la fiamma di una lampada ad alcool o di una candela, la tensione di uscita dell'amplificatore operazionale dovrebbe diminuire o aumentare (a seconda della posizione e del grado di riscaldamento) di almeno 1 V rispetto al valore iniziale Il funzionamento dei comparatori DA4 e DA5 durante il riscaldamento dell'elemento sensibile si ottiene utilizzando i resistori di trimming R31 e R32, mentre il LED HL2 dovrebbe iniziare a lampeggiare e l'emettitore HA1 dovrebbe emettere un suono intermittente. Dovresti assicurarti che quando l'elemento sensibile si raffredda, l'allarme ritorni al suo stato originale, in cui il LED HL2 e l'emettitore sonoro sono spenti e la tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale DA3 è tornata al valore precedente . Quando si installa un dispositivo di segnalazione su un oggetto, è necessario adottare misure per escludere l'influenza delle vibrazioni dell'oggetto e del rumore acustico che crea sull'elemento sensibile. Per fare ciò, è montato, ad esempio, su supporti antivibranti supporti.Un oggetto di grande area o volume viene controllato piegando l'elemento sensibile attorno ad esso. Letteratura
Autore: O.Ilyin
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