Авторы: Григорьев Валерий Степанович, Григорьев Игорь Валерьевич, Солонько Валерий Анатольевич, Шабардин Алекcандр Николаевич
Изобретение отноcитcя к облаcти прибороcтроительной (измерительной) техники и предназначено для обнаружения опаcной или пожароопаcной cитуации. Техничеcким результатом являетcя обнаружение потенциальных пожаров на cамых ранних стадиях их развития. Предлагается формировать плавающий пороговый уровень, меняющийся по закону изменения контролируемого параметра и в зависимости от скорости изменения контролируемого физического параметра и его текущего среднего значения формировать два сигнала опасности: «предупредительный» - о превышении допустимой скорости увеличения контролируемого параметра, и «тревожный» - о возникновении пожароопасной ситуации. С появлением первого сигнала опасности прекращается формирование плавающего порога, далее он становится фиксированным. Второй сигнал опасности - «тревожный», формируется в момент превышения сигналом фиксированного порога в заданное число раз. Причем при выходе электрического сигнала за пределы заранее заданных верхней и нижней границ динамического диапазона меняется алгоритм формирования сигналов опасности. Это позволяет снять ограничения применения способа во всем возможном диапазоне изменения контролируемого физического параметра. Способ позволяет снизить пороговые уровни и значительно сократить время обнаружения опасной или пожароопасной ситуации. 1 ил.
В настоящее время известны способы обнаружения пожароопасной ситуации или пожара в охраняемой зоне по косвенным признакам. Извещатели, реализующие эти способы, могут быть максимальными, реагирующими на превышение контролируемым физическим параметром допустимого порогового значения, дифференциальными, фиксирующими превышение заранее заданной предельной скорости изменения параметра и комбинированными, совмещающими в себе оба эти способа одновременно [Штумпф Э.П. Пожарная сигнализация на судах. Л., Судостроение, 1982 г., 160 с.].
Недостатком способа обнаружения пожароопасной ситуации, применяемого в максимальных извещателях, является необходимость установки допустимого порогового значения выше максимально возможного естественного значения контролируемого параметра. При естественных изменениях параметра в тех случаях, когда он близок к своему минимальному значению, значительно увеличивается время обнаружения пожара или пожароопасной ситуации.
Недостатком способа обнаружения дифференциальных пожарных извещателей является то, что совсем не обязательно резкое изменение значения контролируемого параметра, со скоростью выше пороговой, что является следствием возникновения пожароопасной ситуации и возможного пожара. Кроме того, медленный рост значения контролируемого параметра, со скоростью ниже пороговой, тоже может привести к пожару.
Недостатком совмещения способов, используемых в комбинированных пожарных извещателях, является то, что их простое объединение в одном корпусе не устраняет главных недостатков, присущих каждому из них в отдельности. В тех случаях, когда имеется попытка установить взаимозависимость при принятии решения от срабатывания или не срабатывания каждого из каналов объединенного извещателя, добавляются новые недостатки. Многообразие возможных причин образования и развития пожароопасной ситуации создает проблему определения статуса сигналов каждого из способов, что вносит дополнительные неопределенности и снижает достоверность при принятии решения.
Наиболее близким из числа известных технических решений к предлагаемому изобретению является способ обнаружения пожароопасной ситуации, примененный в пожарных извещателях ИДЭ-2 и ИПДЭ-1 «Алексеев В.А., Андреева Т.В., Ивянский М.А., Романов С.Ю., Семенов А.В. Средства противопожарной защиты на пилотируемых орбитальных станциях. Известия РАН "Энергетика". 2003.
4.», «Строительство и недвижимость. Пожарный извещатель ИПДЭ-1 000 НПП "Протон-ПД" http://www.nestor.minsk.by/sn/2001/04/snl0422.html».
Способ основан на формировании первого и второго электрических сигналов, пропорциональных текущему среднему значению контролируемого физического параметра и скорости его изменения соответственно, сравнении этих сигналов с их предельными значениями, при превышении которых формируют сигнал о наличии пожарной ситуации, причем в момент превышения вторым электрическим сигналом его предельного значения запоминают значение первого электрического сигнала, а сигнал о возникновении пожароопасной ситуации формируют, когда первый электрический сигнал превысит значение его запомненной величины в заданное число раз.
Реализация этого способа позволяет получить плавающий (переменный) пороговый уровень, меняющийся по закону изменения контролируемого физического параметра, что позволяет выбирать пороговое значение в широком диапазоне изменения контролируемого параметра. Сигнал о возникновении пожароопасной ситуации или пожара формируют при превышении текущим средним значением электрического сигнала, пропорциональным физическому параметру, предельного порогового уровня в заданное число раз. Способ позволяет, при высокой достоверности, максимально сократить время обнаружения пожара и пожароопасной ситуации.
Здесь не следует понимать плавающий порог, как разновидность адаптивного порога, применяемого в оптических пожарных извещателях для компенсации загрязнения оптической камеры, то есть сигнала помехи. [Себенцов Д.А. Пожарный извещатель последнего поколения: мифы и реальность. Журнал-каталог «Пожарная автоматика 2003» стр.32-34.] Отличие плавающего порога от адаптивного заключается в том, что в реальном масштабе времени первый меняется по закону изменения полезного сигнала, и может увеличиваться и уменьшатся, а второй меняется по закону изменения сигнала помехи, и только увеличивается.
Недостатком известного способа-прототипа является то, что любой динамический диапазон изменения электрического сигнала контролируемого физического параметра, каким бы большим он ни был, имеет свои границы. Когда полезный электрический сигнал, в результате естественных изменений параметра, слишком мал и сопоставим с величиной шумового сигнала, высока вероятность появления ложных срабатываний от колебаний шума. Когда полезный электрический сигнал приближается к верхней границе динамического диапазона, возможно формирование такого электрического значения плавающего порогового уровня, которое никогда не будет достигнуто электрическим сигналом, пропорциональным физическому параметру в силу особенностей электрических схем, имеющих собственные ограничения по амплитуде электрического сигнала.
Целью данного изобретения является обнаружение пожароопасной ситуации либо пожара, по косвенным признакам, во всем возможном диапазоне изменения контролируемого физического параметра, независимо от границ динамического диапазона электрического сигнала, пропорционального этому параметру.
Техническим результатом является значительное сокращение времени обнаружения потенциальных пожаров на самых ранних стадиях их развития, без дополнительных настроек уровня входного сигнала, и при обеспечении высокой достоверности идентификации нестандартной или пожароопасной ситуации.
Технический результат достигается тем, что в способе обнаружения пожароопасной ситуации, основанном на получении электрического сигнала, пропорционального текущему среднему значению контролируемого физического параметра, формировании переменного предельного порогового уровня меняющегося по закону изменения текущего среднего значения контролируемого физического параметра, запоминании предельного порогового уровня в момент превышения скоростью нарастания текущего среднего значения контролируемого физического параметра его предельно допустимой скорости нарастания и формировании первого сигнала опасности, формировании второго сигнала опасности в момент превышения текущим средним значением контролируемого физического параметра запомненного порогового уровня в заданное число раз, восстановлении функции формирования предельного порогового уровня в случае возврата текущего среднего значения контролируемого физического параметра к исходному значению, предварительно задают нижнюю и верхнюю границы динамического диапазона, при пересечении которых электрическим сигналом, пропорциональным текущему среднему значению контролируемого физического параметра, прерывают функцию формирования переменного предельного порогового уровня и заменяют переменный предельный пороговый уровень постоянным предельным пороговым уровнем, соответствующим нижней или верхней границе динамического диапазона, а сигналы опасности формируют с временными задержками, причем, когда электрический сигнал, пропорциональный текущему среднему значению контролируемого физического параметра, выходит за нижнюю границу динамического диапазона, возможно формирование сигнала "неисправность".
Проведенный анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа обнаружения пожароопасной ситуации, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".
Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники, с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня развития техники.
Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведена функциональная схема устройства для осуществления заявленного способа и введены следующие обозначения:
- 1 - Формирователь текущего среднего значения контролируемого физического параметра.
- 2 - Блок выборки, хранения и задержки первого порогового уровня. (Элемент задержки текущего среднего значения контролируемого параметра).
- 3 - Формирователь пороговых отношений.
- 4 - Формирователь нижней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра.
- 5 - Формирователь верхней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра.
- 6 - Формирователь пороговых отношений.
- 7 - Элемент сравнения.
- 8 - Блок выборки хранения и задержки второго порогового уровня.
- 9 - Элемент сравнения.
- 10, 11 - Формирователи задержки выходных сигналов.
- F(t) - Входной сигнал.
- Ен - Сигнал, задающий нижнюю границу динамического диапазона.
- Ев - Сигнал, задающий верхнюю границу динамического диапазона.
- Z1 - Первый тревожный сигнал опасности.
- Z2 - Второй тревожный сигнал опасности.
- Z3 - Сигнал «неисправность».
Устройство для реализации заявляемого способа обнаружения пожароопасной ситуации содержит последовательно соединенные формирователь текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1, блок выборки, хранения и задержки первого порогового уровня 2, элемент сравнения 7 и формирователь задержки 10 выходного сигнала Z1. Выход формирователя текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1 соединен с входами формирователя пороговых отношений 3, формирователя нижней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 4, формирователя верхней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 5, формирователя пороговых отношений 6 и блока выборки, хранения и задержки второго порогового уровня 8, выход которого через элемент сравнения 9 соединен с формирователем задержки 11 выходного сигнала Z2. Второй вход элемента сравнения 9 соединен с выходом формирователя пороговых отношений 6. Второй, третий и четвертый входы блока выборки, хранения и задержки второго порогового уровня 8 соединены соответственно с выходами формирователя нижней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 4, формирователя верхней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 5 и элемента сравнения 7, второй вход которого соединен с выходом формирователя пороговых отношений 3. На вторые входы формирователей нижней 4 и верхней 5 границ динамического диапазона подаются соответствующие управляющие сигналы Ен и Ев, определяющие уровни нижней и верхней границ.
Способ реализуется следующим образом. Входной сигнал, пропорциональный текущему значению контролируемого физического параметра F(t), поступает на формирователь текущего среднего значения контролируемого параметра 1, где с заданной постоянной времени, величина которой много меньше, чем в блоке выборки хранения и задержки первого порогового уровня 2, и блоке выборки и хранения второго порогового уровня 8, формируется его текущее среднее значение. Этот сигнал поступает на блок выборки, хранения и задержки первого порогового уровня 2, блок выборки и хранения второго порогового уровня 8, формирователи пороговых отношений 3 и 6, формирователь нижней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 4 и формирователь верхней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 5, задающие границы динамического диапазона изменений электрического сигнала контролируемого параметра. Выходные сигналы формирователей нижней и верхней границ динамического диапазона 4 и 5 являются приоритетными для блока выборки и хранения второго порогового уровня 8. При наличии того или другого прекращается формирование второго переменного предельного порогового уровня. Его заменяют постоянным предельным пороговым уровнем, соответствующим нижней или верхней границе динамического диапазона, изменяя, таким образом, алгоритм формирования сигнала опасности. Электрические сигналы с выхода блока выборки хранения и задержки первого порогового уровня 2 и формирователя пороговых отношений 3 поступают на входы элемента сравнения 7, формирующего первый сигнал опасности. Через формирователь задержки выходного сигнала 10 он может использоваться как первый тревожный сигнал опасности Z1 (фактически это фиксация момента превышения скоростью нарастания текущего среднего значения контролируемого физического параметра его предельно допустимой скорости нарастания). Одновременно этот сигнал опасности поступает на блок выборки и хранения второго порогового уровня 8, переводя его из режима формирования переменного предельного порогового уровня в режим запоминания и хранения порога, причем это происходит, если величина электрического сигнала контролируемого физического параметра находится внутри заданных границ динамического диапазона. Электрические сигналы с выхода блока выборки и хранения второго порогового уровня 8 и формирователя пороговых отношений 6 поступают на элемент сравнения 9, на выходе которого формируется второй сигнал опасности, который через формирователь задержки выходного сигнала 11 используется как основной тревожный сигнал опасности Z2.
При медленном изменении входного сигнала происходит медленное изменение текущего среднего значения электрического сигнала на выходе формирователя текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1. Если изменение входного сигнала происходит достаточно медленно по сравнению со временем задержки блока выборки и хранения второго порогового уровня 8, блок выборки, хранения и задержки первого порогового уровня 2 будет успевать корректировать значение плавающего порога, поскольку время задержки блока выборки, хранения и задержки первого порогового уровня 2 значительно меньше времени задержки блока выборки и хранения второго порогового уровня 8, и на выходе элемента сравнения 7 первый сигнал опасности будет отсутствовать. Если величина текущего среднего значения электрического сигнала на выходе формирователя текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1 находится внутри заданных границ динамического диапазона, то блок выборки и хранения второго порогового уровня 8 будет успевать корректировать значение плавающего порога, и на выходе элемента сравнения 9 второй сигнал опасности тоже будет отсутствовать.
Если изменение входного сигнала велико и достаточно по времени и амплитуде, блок выборки, хранения и задержки первого порогового уровня 2 не успеет скорректировать значение плавающего порога, на выходе элемента сравнения 7 появится первый сигнал опасности. Если его длительность будет больше, чем постоянная времени формирователя задержки выходного сигнала 10, то на выходе формирователя появится первый тревожный сигнал опасности Z1. При этом сигнал с выхода элемента сравнения 7 поступает на управляющий вход блока выборки и хранения второго порогового уровня 8, переводя его в режим хранения. В этом режиме блок выборки и хранения второго порогового уровня 8 запоминает значение второго порогового уровня в момент превышения скоростью - нарастания текущего среднего значения контролируемого физического параметра его предельно допустимой скорости нарастания. Если текущее среднее значение контролируемого физического параметра превышает запомненное значение второго порогового уровня в заданное формирователем пороговых отношений 6 число раз, на выходе элемента сравнения 9 появится второй сигнал опасности. Если его длительность будет больше, чем постоянная времени формирователя задержки выходного сигнала 11, на выходе формирователя 11 появится второй тревожный сигнал опасности Z2.
Когда сигнал на выходе формирователя текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1 не превышает уровня, который определяет нижнюю границу динамического диапазона, блок выборки и хранения второго порогового уровня 8, управляемый выходным сигналом формирователя 4, не осуществляет функции формирования плавающего порога, а выдает на элемент сравнения 9 нижний постоянный пороговый уровень. Этот уровень задается формирователем нижней границы динамического диапазона изменений контролируемого физического параметра 4 изменением величины управляющего сигнала Ен таким образом, чтобы колебания электрического сигнала от собственного шума и внешних помех не приводили к появлению ложных сигналов опасности. Наличие выходного управляющего сигнала формирователя 4 является приоритетным для блока 8 по отношению к другим управляющим сигналам. Сигнал опасности появляется, если полезный электрический сигнал превысит нижний постоянный пороговый уровень в заданное число раз.
Причем при выходе электрического сигнала, пропорционального контролируемому физическому параметру, за нижнюю границу динамического диапазона, возможно формирование сигнала Z3 «неисправность».
Когда сигнал на выходе формирователя текущего среднего значения контролируемого физического параметра 1, в результате естественных медленных изменений контролируемого физического параметра, достигнет уровня, соответствующего верхней границе динамического диапазона, задающейся изменением управляющего сигнала Ев, на выходе формирователя 5 появляется сигнал, фиксирующий верхнюю границу динамического диапазона для блока выборки и хранения 8. Этот сигнал, являясь приоритетным, прекращает функцию формирования плавающего порога, меняет алгоритм обработки сигнала и на выходе элемента сравнения 9 и формирователя задержки выходного сигнала 11 появляется сразу второй тревожный сигнал опасности Z2. Такое изменение алгоритма формирования сигнала опасности обусловлено возможным слишком медленным ростом значения контролируемого физического параметра, который мог бы остаться незамеченным. Уровень верхней границы динамического диапазона выбирается таким образом, чтобы обеспечить работоспособность способа, когда по тем или иным причинам требуется установить верхний предел допустимого значения контролируемого физического параметра, либо электрического сигнала, пропорционального этому параметру.
Первый сигнал опасности Z1 прогнозирует возможность возникновения нестандартной или пожароопасной ситуации, второй сигнал опасности Z2 сигнализирует о появлении пожароопасной ситуации.
Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата, а именно обнаружение потенциальных пожаров на самых ранних стадиях их развития при обеспечении высокой достоверности идентификации, обеспечивается за счет того, что уровень порога, плавающего по закону изменения контролируемого физического параметра, может быть значительно снижен. Этим обеспечивается существенное сокращение времени обнаружения пожароопасной ситуации. Управление процессом формирования плавающего порогового уровня в зависимости от изменения скорости нарастания сигнала, изменение алгоритма обработки сигнала при выходе последнего за границы динамического диапазона, а также введение дополнительных временных задержек для выходных сигналов опасности обеспечивает высокую достоверность способа.
Сопоставление параметров, характеризующих заявляемое изобретение и прототип, позволяет сделать вывод о том, что заявляемый способ, за счет введения изменяющегося алгоритма обработки сигнала, при пересечении последним обозначенных границ динамического диапазона, обеспечивает свою работоспособность при любых изменениях контролируемого физического параметра без дополнительных настроек уровня входного сигнала и с любыми начальными условиями.
Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного способа следует отметить также дополнительные его достоинства, заключающиеся в том, что он пригоден для наблюдения за любым физическим параметром (рост температуры, давления, уровня жидкости и др.), неестественное изменение которых способно привести к нестандартной либо аварийной ситуации.
Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия:
- средство, воплощающее способ-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области приборостроительной (измерительной) техники и ориентировано для обнаружения в охраняемом объекте нестандартной или нештатной ситуации, которая может быть классифицирована как опасная или пожароопасная;
- для заявленного изобретения, в том виде как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств;
- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».
