Пирометрический датчик с оптическими затворами для определения двухмерных координат очага взрыва

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 536.521: 614.841.45

Пирометрический датчик с оптическими затворами для определения двухмерных координат очага взрыва

А.И. Сидоренко (аспирант Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

А.Н. Павлов (канд. техн. наук, доцент кафедры Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Е.В. Сыпин (канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Е.Я. Кулявцев (аспирант Бийского технологического института (филиал) ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»)

Предложен способ построения пирометрического датчика определения двухмерных координат очага взрыва на основе анализатора изображения с оптическими затворами. Предложена структурная схема датчика, установлены зависимости размеров и взаимного расположения элементов оптической системы датчика и проведено исследование работы оптической системы на базе компьютерного моделирования, в результате которого выявлено оптимальное взаимное расположение элементов оптической системы. пирометрический датчик оптический затвор

Работа выполнялась при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «У.М.Н.И.К.», ДОГОВОР № 15/нр на выполнение НИОКР от «01» февраля 2012 г.).

Ключевые слова: ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ, ДАТЧИК, ОЧАГ, ВЗРЫВ, ОПТИЧЕСКИЙ, ЗАТВОР, СИСТЕМА, КОМПЬЮТЕРНОЕ, МОДЕЛИРОВАНИЕ

Method for pyrometric sensor construction to determine two-dimensional coordinates of the explosion source based on the image analyzer with optical shutters is suggested. A block diagram of the sensor is advised, dependences size and arrangement of the elements of optical system are determined and study of the optical system based on computer modeling is conducted, on the results of which an optimal relative position of optical system's elements is defined.

The work was implemented under the support of Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and technology (programme «U.M.N.I.K.», cONTRACT № 15/sw. for realization of NIOKR as of «01» February 2012).

Key words: PYROMETRIC, SENSOR, EXPLOSION, SOURCE, OPTICAL, SHUTTER, SYSTEM, COMPUTER, MODELLING

Существует ряд потенциально опасных производств и объектов с возможной пожаро- и взрывоопасной средой, имеющих в своем составе большие по объему цеха, склады, помещения. На таких объектах возможно воспламенение горючей среды, что может привести к разрушениям и человеческим жертвам. Взрывобезопасность производственных процессов должна быть обеспечена взрывопредупреждением, взрывозащитой, а также активным взрывоподавлением. Суть метода взрывоподавления состоит в том, что на ранней стадии развития взрыва, которая фиксируется детектором, автоматически срабатывают устройства, выбрасывающие в защищаемый объем огнетушащее вещество. В качестве детекторов обычно используются оптико-электронные датчики, удовлетворяющие требованию высокого быстродействия [1, 2, 3].

Автоматические средства локализации пожаров и взрывов на ранней стадии представлены в России небольшим количеством. Известна автоматическая система взрывоподавления-локализации взрывов АСВП-ЛВ, выпускаемая ЗАО «МВК по ВД при АГН» [4]. Система АСВП-ЛВ приводится в действие ударной воздушной волной, образованной в результате взрыва метано-пылевоздушной смеси, поэтому АСВП-ЛВ обладает низким быстродействием и не способна локализовать очаг возгорания на ранней стадии и, по сути, борется с уже развитым взрывом, когда ущерб может быть уже нанесен. Известна также система локализации взрывов автоматическая СЛВА, выпускаемая ОАО «Быковский завод средств логического управления» [5]. В этой системе используется датчик пламени компактный, представляющий собой радиационный пирометр, для обеспечения высокого быстродействия. Однако общим недостатком практически всех известных систем взрывоподавления является заполнение всего защищаемого объема огнетушащим веществом в момент срабатывания, поскольку пространственное расположение очага возгорания не определяется. Это значительно снижает эффективность применения системы и может привести к травмам рабочего персонала в случае ложного срабатывания.

Существуют датчики обнаружения очага возгорания с возможностью определения координат очага, построенные на основе координатных приемников излучения. Наиболее перспективным из них является датчик координат очага возгорания с цилиндрическими линзами [6], построенный на основе однокоординатных приемников излучения (ОПИ). Указанный датчик обладает высоким быстродействием, практически не чувствителен к свойствам промежуточной среды за счет реализации схемы пирометра спектрального отношения и способен определять местоположение очага возгорания. Однако в результате внесения в оптическую систему двух цилиндрических линз уровень поступающей на ОПИ энергии при определении начальной стадии возгорания сопоставим с собственными шумами приемника, что значительно снижает вероятность правильного обнаружения сигнала и может привести к пропуску факта возгорания или к обнаружению возгорания через неприемлемо длительный промежуток времени.

Кроме того, использование ОПИ для построения датчиков обнаружения очага возгорания приводит к возникновению ряда специфических недостатков [7]. Так, использование многоэлементных ОПИ с полной электрической развязкой отдельных чувствительных элементов приводит к возникновению следующих недостатков:

низкой разрешающей способности, вызванной значительными габаритными размерами отдельных элементов ОПИ;

снижению надежности датчика из-за большого количества независимых элементов ОПИ;

необходимости введения поправочных коэффициентов для обеспечения идентичности параметров отдельных элементов ОПИ.

Использование многоэлементных ОПИ с внутренними электрическими связями приводит к возникновению следующих недостатков:

снижению достоверности работы датчика вследствие необходимости учета взаимовлияния и разброса параметров отдельных элементов ОПИ, наличия коммутационных переходных процессов и утечек по токоведущим шинам и подложкам, а также влияния специфических шумов ОПИ;

снижению надежности датчика вследствие выхода из строя всего ОПИ в случае потери чувствительности одного из элементов ОПИ;

ограничению на выбор алгоритма опроса ОПИ вследствие невозможности произвольной выборки сигнала с любого элемента.

В ходе исследований для преодоления недостатков, связанных с использованием многоэлементных ОПИ, было предложено использовать одноэлементные некоординатные приемники излучения, а для определения расположения очага возгорания ввести в состав оптической системы [8] анализатор изображения в виде диафрагмы с возможностью динамического изменения закона распределения прозрачных и непрозрачных участков на основе оптических затворов.

Целью работы является разработка и исследование оптической системы пирометрического датчика с оптическими затворами для обнаружения очага возгорания и определения его двухмерных координат на базе компьютерного моделирования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:

- разработать структурную схему пирометрического датчика с оптическими затворами;

- установить зависимости размеров и взаимного расположения элементов оптической системы датчика;

- исследовать работу оптической системы на базе компьютерного моделирования.

Структурная схема предлагаемого датчика представлена на рисунке 1.

1 - объектив; 2 - разделитель светового потока; 3 - диафрагма; 4, 4' - светофильтры; 5 - некоординатный одноэлементный приемник излучения; БУД - блок управления диафрагмой; БВ - блок вычислений; БФЭ - блок формирования электроимпульса

Рисунок 1 - Структурная схема датчика

Датчик содержит объектив 1, разделитель светового потока 2, диафрагму 3 с возможностью динамического изменения закона распределения прозрачных и непрозрачных участков, светофильтры 4 и 4', одноэлементные некоординатные приемники излучения 5, исполнительную схему, содержащую блок управления диафрагмой, блок вычислений и блок формирования электроимпульса. Диафрагма представляет собой совокупность независимо управляемых устройств, обеспечивающих временное перекрытие и последующее пропускание светового потока в течение определенного промежутка времени - оптических затворов.

Пирометрический датчик с оптическими затворами для обнаружения очага возгорания и определения его двухмерных координат работает следующим образом. Излучение контролируемой области собирается при помощи объектива 1 и разделяется разделителем светового потока 2 на два потока (оптических канала). Каждый из этих потоков фокусируется на одноэлементных приемниках излучения, одновременно происходит выделение узкого спектра энергии светофильтрами 4 и 4' для обеспечения возможности определения температуры очага возгорания методом спектрального отношения. Определение координат очага возгорания осуществляется при помощи диафрагмы 3, установленной в одном из оптических каналов, каждый оптический затвор которой по определенному алгоритму пропускает или перекрывает световой поток. Угол смещения источника излучения относительно оптической оси датчика определяется по номеру оптического затвора диафрагмы, при открытии которого сигнал на выходе приемника излучения достигает максимального значения.

Сигналы с некоординатных одноэлементных приемников излучения подаются в исполнительную схему на блок вычислений, который преобразует их в цифровые значения, выполняет программную фильтрацию помех, вычисляет координаты очага возгорания, вычисляет отношение электрических сигналов с одноэлементных приемников излучения и сравнивает полученное отношение с заранее заданным значением для принятия решения о возникновении (или отсутствии) возгорания. Блок управления диафрагмой осуществляет управление оптическими затворами диафрагмы в соответствии с алгоритмом блока вычислений. В случае возникновения возгорания исполнительная схема формирует управляющий сигнал на соответствующее взрывоподавляющее устройство при помощи блока формирования электроимпульса.

Исходя из требований к быстродействию датчика, которое не должно превышать 3 мс [9, 10], быстродействие оптического затвора (максимальная частота открывания/закрывания оптического тракта) должно составлять не менее 1 кГц. Затворы должны быть составлены в матрицу, причем расстояние между отдельными ячейками должно быть минимальным для обеспечения высокой разрешающей способности датчика и избегания «мертвых зон». Поскольку датчик используется в потенциально опасной зоне, амплитуда используемого напряжения не должна превышать 50 В. Примером оптического затвора, удовлетворяющего предъявляемым требованиям, является жидкокристаллический оптический затвор, построенный на основе двойной пи-ячейки. Период срабатывания двойной пи-ячейки (время открытия, время в открытом состоянии и время закрытия) составляет 0,25 мс [11]. Таким образом, время опроса диафрагмы, составленной из девяти независимых оптических затворов, построенных на основе двойной пи-ячейки, удовлетворяет требованию по быстродействию.

Конструктивные параметры оптической системы датчика определяются ходом лучей и параметрами используемых оптических компонентов. На рисунке 2 представлен ход лучей для оптического канала с диафрагмой, установленной перпендикулярно оптической оси. При этом максимальный диаметр dП сечения конуса сходящегося светового пучка плоскостью диафрагмы равен длине оптического затвора LОЗ, т.е. k=dП/LОЗ=1.

1 - входная линза; 2 - диафрагма; 3 - приемник излучения

Рисунок 2 - Ход лучей для оптического канала с установленной диафрагмой

В случае использования оптических затворов квадратной формы в соответствии с геометрическими расчетами можно вывести следующие соотношения размеров оптических компонентов и их взаимного расположения:

;

;

;

,

где щ - угловое поле; LПИ - длина приемника излучения; - фокусное расстояние объектива; SДФ - расстояние между объективом и диафрагмой; LОЗ - длина одного оптического затвора; DВХ - диаметр входного зрачка; LДФ - длина диафрагмы; NОЗ - количество оптических затворов в диафрагме; k - коэффициент перекрытия; dП - диаметр сечения конуса светового пучка плоскостью диафрагмы.

Для исследования оптической системы была разработана компьютерная модель в системе Zemax. Внешний вид трехмерной модели оптического канала с установленной диафрагмой представлен на рисунке 3. При моделировании использовались следующие параметры оптической системы: LПИ = 10 мм; ; NОЗ = 16.

1 - входная собирающая линза; 2 - диафрагма; 3 - приемник излучения

Рисунок 3 - Оптический канал с установленной диафрагмой

С целью подтверждения принципиальной возможности определения координат с помощью анализатора изображения, а также для выявления оптимального расположения диафрагмы проведено исследование работы смоделированной оптической системы. На основе компьютерной модели построены графики зависимости потока излучения, падающего на приемник, от угла смещения источника излучения (рисунок 4 а) для различных открытых оптических затворов в соответствии с рисунком 4 б при коэффициенте перекрытия k=1.

При смещении источника излучения в угловом поле датчика наблюдается изменение величины потока излучения, приходящего на приемник излучения, причем каждый оптический затвор перекрывает определенный участок углового поля. Таким образом, по величине потока излучения, приходящего на приемник, и номеру открытого оптического затвора можно определить угол смещения источника излучения в угловом поле датчика.

Также были проведены исследования при k = 1,5 и k = 2. В результате компьютерного моделирования установлено, что анализатор изображения можно смещать в сторону уменьшения величины SДФ без снижения разрешающей способности датчика до тех пор, пока максимальный диаметр сечения конуса сходящегося светового пучка плоскостью диафрагмы, установленной перпендикулярно оптической оси, не превысит величину 2LОЗ. Однако такое смещение приводит к снижению чувствительности датчика, поскольку на приемник излучения поступает меньше энергии.

а - графики зависимости; б - диафрагма; 1; 2; 3; 4 - оптические затворы

Рисунок 4 - Семейство графиков зависимости потока излучения от угла смещения источника для различных открытых оптических затворов

Следовательно, для достижения максимальной разрешающей способности и максимальной чувствительности диафрагма должна располагаться таким образом, чтобы диаметр dП сечения конуса сходящегося светового пучка плоскостью диафрагмы был равен ширине оптического затвора LОЗ, т.е. k = dП/LОЗ = 1.

В результате выполнения исследования разработана структурная схема пирометрического датчика с оптическими затворами для обнаружения очага возгорания и определения его двухмерных координат. Проведено компьютерное моделирование и исследование предложенной оптической системы, в результате которого подтверждены заявленные функциональные возможности датчика и установлено оптимальное взаимное расположение оптических компонентов с точки зрения максимальной чувствительности и разрешающей способности датчика.

Полученные результаты будут использованы при разработке эскизной документации, необходимой для изготовления лабораторного образца датчика с целью дальнейшего исследования его работы.

Библиографический список

1 Terentiev, S.A. Designing of optical system with cylindrical lenses of ignition center coordinates pyrometric sensor. International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM`2010: Conference proceedings / S.A. Terentiev, E.S. Povernov, A.N. Pavlov, E.V. Sypin. - Novosibirsk: NSTU Publishing polygraph center, 2010. - P.430-433.

2 Pavlov, A.N. Optoelectronic system for determination of ignition center three-dimensional coordinates at initial stage. International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM`2010: Conference proceedings / A.N. Pavlov, S.A. Terentiev, E.S. Povernov, E.V. Sypin. - Novosibirsk: NSTU Publishing polygraph center, 2010. - P.417-419.

3 Gerasimov, D.V. Construction of spectral ratio pyrometric sensor based on dichroic beamsplitter. International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM`2010: Conference proceedings / D.V. Gerasimov, A.N. Pavlov, N.Y. Tupikina, E.V. Sypin. - Novosibirsk: NSTU Publishing polygraph center, 2010. - P.406-409.

4 Автоматическая система взрывоподавления-локализации взрывов (АСВП-ЛВ.1М) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mvkmine.ru/lrus/asvp.

5 Система локализации взрывов автоматическая (СЛВА) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.logikabz.ru/catalog/slva.htm.

6 Пат. 2459269 Российская Федерация, МПК7 G 08 B 17/12. Пирометрический датчик координат очага возгорания с цилиндрическими линзами / Сыпин Е.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО АлтГТУ им. И.И. Ползунова. - №2011109990/08; заявл. 16.03.2011; опубл. 20.08.2012.

7 Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов, - 3-е изд. / Ю.Г. Якушенков. - М.: Машиностроение, 1989. - 360 с.

8 Пат. 2109345 Российская Федерация, МПК6 G 08 B 17/12. Пирометрический датчик пожарной сигнализации / Леонов Г.В. [и др.]; заявитель и патентообладатель Бийский технологический ин-т (филиал) АлтГТУ им. И.И.Ползунова. - №95117261/12; заявл. 10.10.1995; опубл. 20.04.1998.

9 Сыпин Е.В. Оптико-электронный прибор обнаружения начальной стадии развития взрыва в газодисперсных системах: дис. … канд. техн. наук: 05.11.13: защищена 28.05.07: утв. 14.12.07 / Сыпин Евгений Викторович. - Бийск, 2007. - 144 с.

10 Павлов, А.Н. Оптико-электронная система определения трехмерных координат очага взрыва в газодисперсных системах на начальной стадии: дис. … канд. техн. наук: 05.11.13: защищена 29.06.10: утв. 19.11.10 / Павлов Андрей Николаевич. - Бийск, 2010. - 134 с.

11 Продукция НПП «Фотон» [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://lcd-foton.com/products/konstrukciya/.

Размещено на Allbest.ru