Đồ án: Kiến thức chung về các hệ thống cảnh báo điện tử

Để nắm vững cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các hệ thống cảnh báo điện tử một cách có hệ thống và nghiên cứu chế tạo được các sản phẩm có khả năng ứng dụng thực tế bổ xung hoặc thay

Kiến thức chung về các hệ thống cảnh báo

và trật tự an toàn xã hội là một nhiệm vụ cức kỳ quan trọng của ngành công an Để hoàn thành tốt nhiệm vụ này, ngoài các biện pháp nghiệp vụ khác, việc ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mới vào công tác bảo

vệ an ninh và trật tự xã hội là một bien pháp rất quan trọng

Trong những năm qua các đơn vị công an cả nước đã làm tư vấn và trực tiếp lắp đặt hàng ngàn hệ thống cảnh báo điện tử cảnh báo điện tử tại các

cơ sở nhà nước và nhân dân Trong quá trình theo dõi hoạt động của các

hệ thống này, chúng ta thấy chúng đã phát huy rất tốt tác dụng trong việc phòng ngừa và hạn chế tối đa những thiệt hại do hoả hoạn và các hoạt động tội phạm khác gây ra góp phân tích cực vào việc bảo đảm an ninh

và trật tự an toàn xã hội

Hầu hết các hệ thống cảnh báo điện tử được lắp đặt trong thời gian vừa qua là các hệ thống nhập ngoại do các hãng điện tử khác nhau trên thế

giới chế tạo, chúng rất phong phú về chủng loại cũng như về tính năeng tác dụng Để nắm vững cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các hệ

thống cảnh báo điện tử một cách có hệ thống và nghiên cứu chế tạo được các sản phẩm có khả năng ứng dụng thực tế bổ xung hoặc thay thế các thiết bị nhập ngoại trong lĩnh vực kỹ thuật này, đề tài cấp cở”Nghiên cứu chế tạo tủ trung tâm báo động dạng quét “ đã được các cán bộ nghiên cứu của H18B đề xuất và đã được cơ quan quản lý là V14B chấp thuận Sau đây là các vấn đề đã được nghiên cứu của đề tài này

II Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của các hệ thống cảnh báo điện tử

Hai hệ thống này tuy khác nhau về chức năng nhiệm vụ nhưng chúng đều có cấu trúc chung giống nhau bao gồm các phần chính sau:

Để đáp ứng các yêu cầu đa dạng trong kỹ thuật cảnh báo, các hãng điện

tử trên thế giới đã chế tạo rất nhiều chủng loại đầu báo khác nhau từ đơn giản đến phức tạp có thể đáp ứng mọi yêu cầucủa người sử dụngvì vậy Khi thiết kế các hệ thống canhr báo điện tử chúng ta cần nghiên cứu kỹ tính năng tác dụng của các loại đầu báo có được các giải pháp tối ưu

Đường truyền tín hiệu là bộ phận trung gian nối các đầu báo với trung tâm của hệ thống cảnh báo điện tử.Đường truyền tín hiệu có thể là

đường truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến Do giá thành rẻ, kỹ thuật đơn giản và điều quan trọng là khả năng chống nhiễu tốt người ta thường sử dụng đường truyền tín hiệu hữu tuyến trong các hệ thống cảnh báo điện

tử Do giá thành cao kỹ thuật phức tạp và khả năng chống nhiễu thấp nên đường truyền tín hiệu vô tuyến chỉ nên sử dụng trong các trường hợp đặc biệt Khi đường truyền hữu tuyến không thể ứng dụng đựợc

Tủ trung tâm là bộ phận chính trong hệ thống cảnh báo điện tử Tủ trung tâm thực hiện các chức năng sau:

- Tiếp nhận và sử lý các tín hiệu do đầu báo truyền về

- Cung cấp nguồn cho hệ thống hoạt động

- Cung cấp các tín hiệu cảnh báo và báo động bằng ánh sáng và âm

thanh báo cho người trực biết để xử lý các tình huống xảy ra

- Ngoài các chức năng chủ yếu trên, tủ trung tâm còn có thể có các chức năng khác như điều khiển các thiết bị ngoại vi, tự kiểm tra

- Ứng dụng những tiến bộ nhảy vọt của kỹ thuật vi điện tử, các hãng điện tử trên thế giới đã nhanh chóng đổi mới công nghệ kỹ thuật chế tạo

các loại tủ trung tâm

Thay vì chế tạo các tủ trung tâm có chức năng cứng như trước đây một vài năm, ngày nay các hãng điẹn tử chuyển sang sử dụng các mạch vi xử

lý và vi điều Khiển để chế tạo tủ trung tâm đã góp phần nâng cao chất lượngcủa các tủ trung tâm một cách rõ rệt về mọi mặt Tuy nhiên điều này cũng đòi hỏi người lắp đặt cũng như người sử dụng phải có trìh độ hiểu biết nhất định về kỹ thuật vi sử lý và điều Khiển để có thể khai thác

có hiệu quả và bảo dưỡng tốt được thiết bị

2 Hệ thống báo cháy tự động

Hàng năm trên thế giới cũng như nước ta xảy ra hàng ngàn vụ cháy lớn, nhỏ Thiệt hại về nhan mạng và tài sản do cháy gây ra vô cùng to lớn, vì vậy bất kỳ quốc gia nào trên thế giới cũng có những quy định rất chặt chẽ về phòng cháy và chưã cháy Tuy vậy nhưng những đám cháy vẫn xảy ra do nhiều nguyên nhân Vậy làm thế nào để hạn chế một cách tối

đa tác hại của các đám cháy Đỉều cực kỳ quan trọng để giải quyết vấn

đề này là phải phát hiện sớm đám cháy Khi nó vừa phát sinh để mau chóng dập tắt không cho chúng trở thành đám cháy lớn Xuất phát từ yêu cầu trên hệ thống báo cháy tự động đã ra đời

Như chúng ta đã biết cháy là do phản ứng giữa ôxy và các vật liệu cháy dưới tác động của nhiệt độ Khi có cháy xảy ra bao giờ cũng có 3 hiện tượng kèm theo là nhiệt độ tăng, khói và lửa Dựa vào hiện tượng này người ta chế tạo ra các loại đầu báo cháy là: Đầu báo nhiệt, đầu báo khói

và đầu báo lửa

2.1.Cấu tạo và nguyên lý của các đầu báo cháy:

2.1.1.Đầu báo nhiệt:

Thông thường có hai loại đầu báo nhiệt được sử dụng trong kỹ thuật báo cháy đó là: Đầu báo nhiệt cố định và đầu báo nhiệt gia tăng

Đầu báo nhiệt cố định là loại đầu báo Khi nhiệt độ môi trường chúng được lắp đặt tăng đến một nhiệt độ cố định nào đó, đầu báo sẽ hoạt động

và gửi tín hiệu về trung tâm

Đầu báo nhiệt thường được chế tạo theo 3 nhóm A,B,C Nhóm A có nhiệt độ cố định từ 60o C đến 75 oC Nhóm B có nhiệt độ cố định từ 80o đến 95 oC Nhóm C có nhiệt độ từ 120 oC đến 135oC Người ta sử dụng nhiều loại linh kiện và vật liệu để chế tạo ra các đầu báo nhiệt cố định như kim loại nóng chảy ở nhiệt độ thấp, nhiệt ngẫu thanh lưỡng kim, điện trở nhiệt, sonsor bán dẫn

Đa số các đầu báo nhiệt cố định tự phục hồi được tuy nhiên cũng có một

số hãng chế tạo các đầu báo chỉ dùng một lần rồi bỏ đi Để kiểm soát nhiệt độ tại các hầm cáp của nhà máy điện, một loại đầu báo cũng được chế tạo dưới dạng cáp nhiệt

Dưới đây là cấu tạo và nguyên lý hoạt động của loại đầu báo nhiệt thông dụng nhất:

Đầu báo nhiệt cố định là 1 đĩa gồm 2 kim loại được hàn cứng với nhau Hai loại kim loại này được chọn sao cho hệ số giãn nở của chúng khác

xa nhau Đĩa được uấn cong lên bằng cách đặt miếng kim loại có độ giãn

nở cao ở trên miếng kim loại có hệ số giãn nở thấp Điều này có nghĩa là Khi nhiệt độ của đĩa tăng, phía trên của đĩa sẽ giãn nở với tỷ lệ khác với phía dưới của đĩa

Khi nhiệt độ đạt tới một giá trị nhất định đĩa sẽ chuyển từ dạng A sang dạng B Vị trí của đĩa được sắp đặt sao cho Khi có sự thay đổi này xảy ra công tắc bằng vàng, bạc hay platin được đóng lại, cấu trúc của đầu báo được sắp đặt sao cho Khi nhiệt độ giảm xuống linh kiện lưỡng kim sẽ trở lại vị trí ban đầu và công tắc sẽ mở trở lại

Đầu báo nhiệt gia tăng(ROR) là loại đầu báo sẽ hoatk động và giữ tín hiệu về trung tâm Nếu nhiệt độ môi trường tăng lên từ từ không quá 2oC/ phút đầu báo không làm việc

Đầu báo nhiệt gia tăng có cấu tạo và nguyên lý hoạt động như sau:

Đầu báo nhiệt gia tăng là 1 buồng chứa không khí làm bằng kim loại có

độ dẫn nhiệt tốt, thường là bằng đồng hoặc hợp kim dạng hình cầu để

tăng diện tiếp xúc Phía trên được dán kín bằng 1 màng chất dẻo có độ đàn hồi tốt và một lỗ thoát khí nhỏ Khi nhiệt độ tăng lên đột ngột khối không khí trong buồng chứa nở nhanh hơn tốc độ thoát ra ở lỗ thoát khí làm cho màng chất dẻo phồng lên Sự thay đổi này tác động vào công tắc bằng vàng, bạc hay platin phía trên màng chất dẻo làm công tắc đóng lại Khi nhiệt độ giảm xuống, không khí trong buồng kín co lại, màng chất dẻo cũng co lại vị trí ban đầu công tắc bên trên màng này mở

ra.Đầu báo trở lại trạng thái cũ

Nếu nhiệt độ tăng từ từ, tốc độ tăng của không khí trong buồng kín cân bằng với lượng khí thoát ra ở lỗ thoát khí, màng chất dẻo giữ nguyên trạng thái của nó, đầu báo không hoạt động

Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của 2 loại đầu báo nhiệt chúng ta thấy đầu báo nhiệt cố định và đầu báo nhiệt gia tăng có cấu trúc rất đơn giản chúng không cần nguồn nuôi nên không bị tác động bởi các yếu tố khácvì vậy chúng hoạt động rất ổn định Giá thành của các đầu báo nhiệt thấp nên đầu báo nhiệt được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống báo cháy tự động

Đầu báo nhiệt cố định chỉ làm việc Khi nhiệt độ môi trường đạt tới một giới hạn không tính tốc độ gia tăng nhiệt.Ngược lại đầu báo nhiệt gia tăng chỉ làm việc Khi tốc độ gia tăng nhiệt đạt đến mức giới hạn,không tính đến mức nhiệt độ của môi trường Khi đám cháy xảy ra đầu báo nhiệt gia tăng sẽ phản ứng nhanh hưn đầu báo nhiệt cố định.Tuy vậy đầu báo nhiệt cố định lại có độ tin cậy cao hơn đầu báo nhiệt gia tăng vì trong một số trường hợp mắc dù có cháy xảy ra nhưng nguồn sin Hà nội nhiệt lại bị che khuất hoặc đám cháy phát triển chậm nhiệt độ tăng lên từ

từ đâù báo nhiêt gia tăng sẽ không hoạt động Khi lắp đặt chúng ta cần lưu ý điều này

Để nâng cao độ tin cậy của hệ thống báo cháy cách tốt nhất là lắp đặt cả hai đầu báo hoặc sử dụng loại đầu báo nhiệt kết hợp

2.2.Cấu tạo và nguyên lý của các loại đầu báo khói :

Do giá thành thấp, độ ổn định cao của các đầu báo nhiệt được sử dụng rất phổ biến trong các hệ thống báo cháy tự động.Tuy nhiên do quá trình

truyền nhiệt trong không khí là quá trình xảy ra với tốc độ chậm, vì vậy khả năng phát hiện sứm đám cháy của các đầu báo nhiệt là rất thấp

Để sớm phát hiện đám cháy ngay Khi nó vừa phát sinh, người ta sử dụng đầu báo khói Hiện nay có 2 loại đầu báo khói được các hãng chế tạo sản xuất với số lượng lớn là:đầu báo khói Ion và đầu báo khói quang

2.2.1 Đầu báo khói Ion:

Đầu báo khói Ion là đầu báo được chế tạo dựa trên hiệu ứng dẫn điện của không khí Khi bị Ion hoá

Bộ phận cơ bản trong cấu tạo của đầu báo khói Ion là một buồng Ion có chứa một lượng nhỏ cxhất phóng xạ( thường là chất phóng xạ

AMERICIUM241 hoặc 341).Buồng Ion được chia làm 2 ngăn, một ngăn đóng kín hoặc được che chắn sao cho khói khó lọt được vào và được gọi

là ngăn mẫu, còn ngăn thứ 2 được gọi là ngăn phân tích là ngăn để hởvà tiếp xúc thường xuyên với không khí bên ngoài

Các tia ALPHA phát ra từ nguồn phóng xạ sẽ Ion hoácác phân tử không

khí trong buồng Ion Khi điện áp một chiều được đặt lên các điện cực của buồng Ion, giữa các cực của buồng Ion sã xuất hiện dòng điện ở điều kiện bình thường, dòng điện ở ngăn làm mẫu và ngăn phân tích cân bằng nhau,đầu báo không hoạt động.Khi có cácphân tử khói lọt vào ngăn phân tích , các Ion trong ngăn này sẽ kết hợp với các phân khói và trở nên nặng hơn Tốc độ di chuyển của chúng giảm đi dẫn đến việc giảm giòng điện chạy trong ngăn phân tích tuỳ theo số lượngcác phân tử khói lọt vào buồng Ion Khi sự chênh lệchdòng điện ở ngăn phân tích và ngăn mẫu đạt đén mức nhất định đầu báo sẽ hoạt động giữ tín hiệu về trung tâm

Tia ALPHA là tia phóng xạ có khả năng Ion hoá phân tử của một số lượng lớn các chất khí vì vậy đâù báo Ion là loại đầu báo nhạy nhất trong cácloại đầu báo cháy.Nó có thể phát hiện được mọi loại khói kể cả các loại khói mắt thường không nhìn thấy được Do giá thành hợp lývà hoạt động khá ổn định đầu báo khói Ion được sử dụng rộng rãi để phát hiện đám cháy Thời gian sử dụngcủa đầu báo khói Ion phụ thuộc vào chất lượng phóng xạ trong buồng Ion Thông thường chúng có thời gian

sử dụng từ 3 đến 5 năm

Nhược điểm duy nhất của đầu boá khói Ion là việc sử dụng chất phóng

xạ để Ion hoá không khí, điều này sẽ ảnh hưởng đến môi trường và việc bảo trì các đầu báo khói Ion phải được thực hiện các cơ sở có đủi điều kiện an toàn về phóng xạ Vì lý do trên ngày nay một số hãng trên thế giới đã ngừng sản xuất loại đầu báo này

2.2.2.Đầu báo quang:

Đầu báo quang là loại đầu báo được chế tạo trên nguyên lý khuyếch tán

và hấp thụ ánh sáng bởi các phân tử khói Khi ánh sáng truyền trong không khí

Bộ phận cơ bản trong cấu tạo đầu báo quang theo nguyên lý khuếch tán ánh sáng là một buồng tối, trong đó có các vách ngăn xắp xếp theo hình dích dắc để ngăn không cho đầu thu ( thường là tế bào quang điện) có thể trực thu trực tiếp ánh sáng phát ra từ nguồn phát sáng ( thường là các loại diode phát tia hồng ngoại)

Khi không có các phân tử khói lọt vào buồng tối tia sáng bị khuếch tán theo nhiều hướng khác nhau làm cho tế bào quang điện có thể thu được một phần ánh sáng phát ra từ nguồn sáng Điện trở nội của tế bào quang điện giảm đi tương ứng với số lượng phân tử khí lọt vào buồng tối Khi điện trở của tế bào quang điện giảm đến một ngưỡng nhất định, đầu báo chuyển sang chế độ hoạt độngvà gửi tín hiệu về trung tâm

Đầu báo khói quang chế tạo theo nguyên lý khuyếch tán giá thành hợp lý ,thời gian sử dụng có thể kéo dài hàng chục năm, độ tin cậy tương đối cao và rất dễ bảo trì sửa chữa Khả năng phát hiện sớm đám cháy của các đầu báo quang loại nàychỉ kém các đầu báo khói Ion Vì những lý do trên đầu báo quang chế tạo theo nguyên lý khuyếch tán là loại đầu báo được dùng phổ biến nhất hiện nay trong các hệ thống báo cháy tự động

Nhược điểm của đầu báo quang chế tạo theo nguyên lý khuyếch tán ánh sáng là chúng chỉ phát hiện đưọc các loại khói có kích thước phân tử tương đối lớn mắt thường không thể nhìn thấy được và phản xạ ánh

sáng Đối với các loại khói có phân tử kích thước nhỏ hoặc không phản

xạ ánh sáng đầu báo khói quang chế tạo theo nguyên lý khếch tán không phát hiện được

Ngoài loại đầu báo quang chế tạo theo nguyên lý khuyếch tán ánh

sáng,người ta còn chế tạo loại đầu báo khói quang dự trên nguyên lý hấp thu ánh sánh bởi các phân tử khói Loại đầu báo này còn được gọi là đầu báo tia Cấu tạo của đầu báo tia được dựa trên nguyên lý hấp thụ ánh sáng ,boa gồm một nguồn phát tia sáng ( thường là tia hồng ngoại) hoạt động ở chế độ xung, một bộ phận thu các xung ánh sáng phát ra từ

nguồn phát ở điều kiện bình thường,các đâù phát và đầu thu được bố trí sao cho đầu thu có thể trực tiếp thu được các xung ánh sáng phát ra từ đầu phát với cường độ lớn nhất Điện trở nội của tế bào quang điện ở phần thu lúc này nhỏ, đầu báo không hoạt động Khi có khói xuất hiện, các xung ánh sáng đi từ đầu phát đến đầu thu bị các phân tử khói hấp thụ dẫn đến việc xuy giảm cường độ của cacs xung ánh sáng Điệnm trở nội của tế bào quang điện tăng đến mức nhất định phần thu chuyển sang chế

độ hoạt động và giữ tín hiệu về trung tâm

Ưu điểm của loại đầu báo khói dạng tia là diện tích kiểm soát khói của đầu báo lớn, có thể tới hàng ngàn m2 Đầu báo khói quang dạng tia hoạt động rrất ổn định ngay cả tronGiám đốc môi trường có nhiều nhiễu, bụi

Ơ những nơi có diện tichds cần bảo vệ lớn, sử dụng đầu báo khói quang dạng tia có hiệu quả kinh tế cao vì chi phí việc lắp đặt và bảo dững giảm rất nhiều so với việc sử dụng đầu báo khói quang chế tạo theo nguyên lý khuyếch tán hoặc đầu báo Ion

Đối với những nơi có diện tích cảnh báo nhỏ, việc sử dụng đầu báo dạng tia sẽ không đạt hiệu quả kinh tế, vì giá thành 1 bộ đầu báo tương đối cao

2.2.3 Đầu báo lửa

Trong một số trường hợp đám cháy xảy ra do sự phóng các tia lửa điện

Để cảnh báo sự phóng tia lửa điện người ta sử dụng đầu báo lửa

Để loại bỏ các báo động giả gây ra bởi các nguồn phát tia tử ngoại tự nhiên như sét hoặc tia vũ trụ, đầu báo lửa có các mạch điện bảo vệ và

hoạt động ở chế độ xung

Bộ phận chính trong cấu tạo của đầu báo tia lửa là 1 đèn UV-Tron Đây

là 1 linh kiện gồm một óng thuỷ tinh chứa khí argon với hai tấm điện cực đặt đối diện nhau Điện áp một chiều được đặt lên các điện cực của đèn UV-Tron sao cho nó gần bằng điện áp đánh thủng của đèn lúc này giữa hai điện cực của đèn UV-Tron xuất hiện một giòng điện nhỏ Khi tia tử ngoại tác động vào đèn, các froton được sinh ra giòng địn chạy giữa hai điện cực sẽ tăng Vì điện áp giữa hai điện cực gần bằng điện áp đánh thủng của đèn, hiệu ứng Avalanche hiện và sự gia tăng đột gột của dòng điện được coi là tín hiệu báo có lửa

Đầu báo dùng để phát hiện các đám cháy thông qua việc phát hiện các tia tử ngoại sinh ra từ ngọn lửa, vì vậy để tránh báo động giả không nên

sử dụng các đầu báo ở những nơi có nhiều nguồn khác nhau phát ra các tia tử ngoại Giáa thành của loại đầu báo này khá cao

Cấu tạo nguyên lý hoạt động của các loại đầu báo cháy đã được trình bày ở phần trên Để giúp người sử dụng nhanh chóng chọn lựa được các