Пожарный газовый извещатель

Газовый извещатель — извещатель, реагирующий на газы, выделяющиеся при тлении или горении материалов. Газовые извещатели могут реагировать на оксид углерода (углекислый или угарный газ), углеводородные соединения.

Извещатели должны реагировать, как минимум, на один из приведенных ниже газов при концентрации в пределах:

• СО₂ — 1000…1500 ppm;
• СО — 20…80 ppm;
• С_хН_у — 10…20 ppm.

По чувствительности к СО извещатели подразделяют на два класса:

• 1-й класс — 20…40 ppm;
• 2-й класс — 41…80 ppm.

Извещатели могут реагировать на другие газы, однозначно свидетельствующие о возникновении очага загорания, в соответствии с ТУ на извещатели.^[1]

Окись углерода (СО) является основным характерным газовым компонентом, выделяющимся на стадии тления в результате пиролиза материалов, используемых в строительстве. На начальной стадии пожара, при тлении, концентрация СО быстро увеличивается до 20-100 мг/м³, но при появлении пламени наоборот падает, зато растет концентрация двуокиси углерода (СО₂) до уровня более 5000 мг/м³, что соответствует сгоранию 40-50 граммов древесины или бумаги в закрытом помещении объёмом 60 м³ или эквивалентно 10 выкуренным сигаретам. С другой стороны, такой уровень СО₂ достигается в результате присутствия в помещении двух человек в течение 1 часа.

Что очень важно, вместе с СО при тлении всех органических материалов выделяется водород (Н₂), который отсутствует в обычных условиях в атмосфере. Несмотря на небольшие концентрации водорода, выделяемого в воздух помещения (до 10 мг/м³), его легко детектировать при наличии высокочувствительных и селективных датчиков водорода, например на полупроводниковых сенсорах.^[2]

Пожарные извещатели на основе газовых сенсоров способны предупредить пожары на самых ранних стадиях возгорания. Для эффективного применения газовые сенсоры (датчики) извещателей должны обладать следующими свойствами:

• чувствительностью для водорода 0,00001…0,0002 %, для угарного газа 0,0001…0,008 %;
• быстродействием (2…5 с);
• низким энергопотреблением (менее 50 мВт);
• долговечностью (10…60 тыс. ч);
• стабильностью работы;
• низкой стоимостью (1…3 долл.).

На начальном этапе пожара, когда тлеет ещё небольшое количество материала, «пожарные газы» растворяются в объёме помещения и их концентрация мала. Отсюда требование к порогу чувствительности сенсоров — от 0,0001 % для СО и 0,00001 % для Н₂. Требования к быстродействию сенсоров вытекают из скорости диффузии газов и конвекции воздушной массы в помещении, а также динамики развития пожароопасного процесса. Газовые извещатели применяемые частных домах и квартирах должны быть комплексными и способными сигнализировать о возможных утечках газа из кухонных плит и систем газового и печного отопления. Для возможности одновременного измерения и низких концентраций пожарных газов и высоких концентраций (до 5 %) горючих газов сенсор должен иметь динамический диапазон в четыре порядка, которым обладают только полупроводниковые сенсоры^[3].

Сенсоры газовых извещателей

Классификация газоаналитических сенсоров^[4]

Классы	Подклассы
Сенсоры электрохимические	Сенсоры потенциометрические Сенсоры вольтамперометрические Сенсоры кулонометрические Сенсоры кондуктометрические
Сенсоры полупроводниковые	Сенсоры полупроводниковые на оксидных металлах Сенсоры на органических полупроводниках Сенсоры полупроводниковые на МОП-транзисторах с чувствительным затвором
Сенсоры оптические	Сенсоры спектрофотометрические Сенсоры люминесцентные Сенсоры оптометрические
Сенсоры акустоволоконные	Сенсоры пьезокварцевые Сенсоры высокочастотные
Сенсоры термоволновые	Сенсоры с оптическим возбуждением Сенсоры с терморезестивным возбуждением
Сенсоры магнитные
Сенсоры термометрические	Сенсоры термокаталитические

В настоящее время актуальной задачей для газовых извещетелей является разработка миниатюрных химических сенсоров на основе металлооксидных полупроводников SnO₂, In₂O₃, TiO₂, WO₃ и др. Наиболее широко используется диоксид олова, отличающийся высокой химической устойчивостью. Принцип действия таких сенсоров основан на том, что обратимая хемосорбция активных газов на их поверхности сопровождается обратимыми изменениями проводимости. При этом высокая чувствительность к содержанию в атмосфере целого ряда отравляющих и взрывоопасных газов, а также возможность управления процессами, происходящими на поверхности и в объёме полупроводника, делают эти материалы особенно привлекательными^[5].

Сенсоры на основе оксида олова

Определение концентрации СО основано на изменении сопротивления чувствительного элемента. На поверхности, образованной окисью олова, при соприкосновении с молекулой СО происходит химическая реакция доокисления углерода: SnO₂ + 2*CO = Sn + 2*CO₂.

Соответственно, при возрастании концентрации СО в воздухе, количество молекул Sn возрастает, что приводит к понижению сопротивления чувствительного элемента. Для получения непрерывного процесса измерения СО необходимо периодически восстанавливать поверхность сенсора путем доокисления ранее восстановленного олова. Для реализации этого процесса используется нагревательный элемент расположенный непосредственно под поверхностью сенсора.

Реальная зависимость сопротивления от концентрации СО выражается сложной нелинейной зависимостью так как в скорость химической реакции вносит значительный вклад температура, в несколько меньшей степени влажность, а также точность поддержания температуры нагревателя при проведении восстановительной реакции^[6].

Примечания

1. ↑ НПБ 71-98 Извещатели пожарные газовые. Общие технические требования. Методы испытаний. п.7.1
2. ↑ А. В. Федоров, А. А. Лукьянченко, А. В. Соколов ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВЫХ СЕНСОРОВ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОЖАРНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ
3. ↑ А.Васильев, И.Олихов, А.Соколов Газовые сенсоры для пожарных извещателей — ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2005, № 2, с.24-27.
4. ↑ Федоров А. В., Лукьянченко А. А., Сoколов А. В. Аналитический обзор газовых пожарных извещателей. Материалы четырнадцатой научно-технической конференции «Системы безопасности» — СБ-2005. -М.: Академия ГПС МЧС России, 2005. С.203
5. ↑ Национальный исследовательский Томский Политехнический Университет
6. ↑ Извещатель пожарный комбинированный ИП101/435-1-А1/2 «Эксперт». Руководство по эксплуатации. ИДАФ.441577.002РЭ.