СИГНАЛИЗАТОР ДЫМА

Полезная модель относится к устройствам контроля состояния оптически прозрачных газовых сред на наличие дыма, и может быть применена в системах пожароизвещения как замкнутых помещений, например, багажно-грузовых отсеков воздушных судов или корабельных трюмов, так и открытых площадок складирования грузов.
Область техники
Известны «точечные» сигнализаторы дыма, работающие на принципе рассеяния излучения частицами дыма, попадающими внутрь сигнализатора. Их применение требует экстенсивного подхода - чем больше размеры помещения, тем большее количество сигнализаторов нужно задействовать (авт. свид. СССР №1264220А1 G08B 17/10). К «точечным» сигнализаторам следует отнести и устройства, измеряющие рассеяние излучения дымом вблизи прозрачной стенки сигнализатора (патенты US 6515589 B2, EP 1039426 A2, DE 10046992 C1).
Известные «линейные», контролирующие протяженную зону системы сигнализации, датчики которых работают на принципе измерения поглощения излучения дымом, позволяют сократить количество датчиков для контроля той же площади по сравнению с «точечными», но требуют трудоемкой работы по юстировке аппаратуры при установке или фотоприемника, или катафотного отражателя на противоположной стене, (патент US 2004/0155786 A1 G08B 17/10).
Известен сигнализатор появления дыма (продуктов горения для отсеков воздушных судов) содержащий схему питания и управления микролазера, приемник с параллельными оптическими осями, установленные на общем шасси на стене отсека ВС и отражатель - на противоположной стене отсека для отражения от противоположной стены луча в приемник, выполненный с возможностью измерения изменения интенсивности отраженного и/или/ рассеянного излучения для формирования сигнала о наличии в отсеке дыма, (патент RU 89739 U1, G08B 17/10). Использование собственно противоположной стены помещения в качестве отражателя излучения может быть оправдано лишь при одноразовом отражении, но при диффузном переотражении от 2-х или 3-х стен помещения существенно снижаются возможности такой схемы, поскольку отраженный сигнал может иметь интенсивность ниже порога чувствительности фотоприемника.
Известна «Система контроля изменения состояния атмосферы в помещении», (патент RU 49320 U1, 2005 г., G08B 17/10) использующая только рассеяние света на частицах дыма, при этом исключается засветка фотоприемников отраженным от стен излучением, система содержит монохроматический излучатель - газовый лазер, группы фотоприемников, расположенные на боковой стенке отсека, блок-анализатор, источник излучения установлен в контролируемом помещении таким образом, что его луч проходит заведомо выше размещения грузов. Фоточувствительная поверхность фотоприемника ориентирована относительно осей прохождения лучей всех источников излучения под углом 90°, что снижает фоновый сигнал от противоположной стены отсека, увеличивается чувствительность аппаратуры по сравнению с линейными дымоизвещателями, работающими на принципе измерения поглощения дымом излучения лазера. Это особенно существенно на ранней стадии пожара, когда концентрация дыма невелика и ослабление сигнала, вызванное поглощением, сопоставимо с величиной фонового сигнала.
Однако этой системе свойственны те же недостатки, связанные с монтажом и настройкой большого количества фотоприемников.
Известен датчик для измерения концентрации дыма (пыли) в вытяжной трубе, содержащий лазер в качестве источника света, луч которого через боковое отверстие в трубе направляется под определенным углом внутрь трубы, фотоприемное устройство, включающее объектив и приемник излучения. Излучение лазера, рассеянное частицами дыма в направлении объектива, собирается на приемнике излучения, установленном в фокусе объектива. Сигнал от приемника преобразуется в среднее значение концентрации дыма вдоль диаметра трубы. Светофильтр перед приемником излучения уменьшает интенсивность сторонней засветки (патент CN 102854109 (A) 2012 г.).
Недостатком такого датчика является невозможность установить распределение концентрации дыма по сечению трубы или использовать его для обнаружения мест скопления дыма вдоль лазерного луча в качестве дымоизвещателя на ранней стадии пожара.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, состоит в повышении надежности обнаружения дыма вдоль лазерного луча в любой его точке на ранней стадии пожара.
Существенные признаки.
Для достижения технического результата в сигнализаторе дыма, использующим обратное рассеяние света частицами дыма, содержащим модулированный монохроматический излучатель - полупроводниковый лазер, фотоприемное устройство с объективом, оптическая ось которого пересекается с лазерным лучом под острым углом α на заданном расстоянии от сигнализатора, электронный блок обработки и селекции сигналов, связанный с выходами фотоприемного устройства, при этом все элементы сигнализатора расположены в едином корпусе, выходы электронного блока обработки и селекции сигналов соединены с входами системы тревожной сигнализации. В фотоприемное устройство дополнительно введены приемники излучения, количеством достаточным для обнаружения задымления в любой точке лазерного луча. Объектив выполнен однолинзовым с присущим ему астигматизмом.
Кроме того, сигнализатор снабжен верньерным механизмом, управляющим угловым положением полупроводникового лазера, и кинематически связанный с оправой объектива для перемещения последнего вдоль оптической оси на величину, соответствующую изменению угла α.
За счет астигматизма объектив проецирует каждую точку лазерного луча (за исключением точки пересечения с оптической осью объектива) в виде отрезка определенной длины, наложение которых друг на друга позволяют облучать фотоприемник не только из одной точки лазерного луча, но и из соседних точек, то есть каждому фотоприемнику соответствует «сопряженный» участок лазерного луча. Количество «сопряженных» участков и соответствующее им количество приемников излучения определяются экспериментально при изготовлении сигнализатора. Появление дыма в любой точке лазерного луча вызовет сигнал, превышающий уровень фона, и если его величина превысит заданный пороговый уровень, то сработает тревожная сигнализация, указывающая на появление дыма в определенном месте отсека.
Таким образом, положительная роль астигматизма заключается в минимизации количества фотоприемников, необходимых и достаточных для надежного контроля появления дыма в атмосфере багажно-грузового отсека воздушного судна.
Для исключения ложных срабатываний сигнализатора, вызванных попаданием в лазерный луч летающих насекомых или крупных частиц пыли, в электронном блоке обработки и селекции сигналов установлена схема блокировки единичных сигналов с большой амплитудой и малой длительностью.
Для ослабления влияния сторонних засветок линза объектива фотоприемного устройства выполнена с двухсторонним «V»-образным просветляющим покрытием на длину волны лазерного излучения. В тоже время - это покрытие для остальных длин волн сторонних засветок может наоборот на порядок и выше увеличивать отражение и тем самым снижать интенсивность фоновой засветки. Снижению влияния сторонних источников фоновой засветки способствует так же модуляция лазерного луча в сочетании с узкополосным предусилителем сигналов фотоприемников, настроенным на частоту модуляции, и последующее синхронное детектирование выходного сигнала.
Отсутствие засветки фотоприемников отраженным от стены излучением лазера существенно снижает фоновый сигнал от фотоприемников, что увеличивает чувствительность сигнализатора.
Острый угол обеспечивает использование практически обратного рассеяния лазерного луча частицами дыма. Оптическая схема сигнализатора не требует для работы отражающих поверхностей, он компактен и самодостаточен для применения как в замкнутых отсеках, так и на открытых площадках складирования грузов, что повышает его мобильность и универсальность.
На фигуре 1 приведена оптическая схема сигнализатора дыма при его установке, например, в грузовом отсеке воздушного судна.
Сигнализатор дыма содержит модулированный монохроматический излучатель - полупроводниковый лазер (1), объектив (4) фотоприемного устройства, оптическая ось (3) которого пересекается с лазерным лучом (2) под острым углом α на заданном расстоянии от сигнализатора, фотоприемники (5-8), электронный блок обработки и селекции сигналов (9), связанный с выходами фотоприемного устройства, а выходы электронного блока обработки и селекции сигналов соединены с входами системы тревожной сигнализации, при этом все элементы сигнализатора расположены в едином корпусе (11).
Сигнализатор снабжен верньерным механизмом (12), управляющим угловым положением полупроводникового лазера(1) и кинематически связанный с оправой объектива (4) для перемещения последнего вдоль его оптической оси (3) на величину, соответствующую изменению угла α.
Линза объектива (4) выполнена с двухсторонним «V»-образным просветляющим покрытием на длину волны лазерного излучения.
Сигнализатор крепится на одной из стенок грузового отсека (10), например, с помощью кронштейна, таким образом, чтобы лазерный луч (2) проходил отсек на высоте, превышающей вертикальный размер складированного груза. Луч лазера (2) устанавливают по шкале верньерного механизма (12) так, чтобы он пересекался под острым углом (1°÷6°) с оптической осью (3) объектива (4).
Фоточувствительные поверхности фотоприемников (5÷8) ориентированы на центр объектива. Обратное рассеяние света лазерного луча частицами дыма проецируется объективом на фотоприемники(5÷8).
За счет астигматизма объектив проецирует все точки лазерного луча (за исключением точи пересечения с оптической осью объектива) в виде линий, протяженность которых определяется величиной фокусного расстояния и диаметра линзы. («Справочник конструктора оптико-механических приборов», второе издание, изд. «Машиностроение», Ленинград, 1967 г. стр. 151)
Для ослабления влияния сторонних источников (солнечный свет или электрическое освещение) линза выполнена с двухсторонним «V»-образным просветляющим покрытием на длину волны лазерного излучения. Снижению влияния сторонних фоновых засветок и повышению чувствительности сигнализатора способствует также модуляция лазерного луча в сочетании с узкополосным предусилителем сигналов фотоприемников, настроенных на частоту модуляции, и последующим синхронным детектированием выходного сигнала.
В конструкцию сигнализатора введен верньерный механизм, кинематически связанный с полупроводниковым лазером и объективом, регулирующий величину острого угла между лазерным лучом и оптической осью объектива в пределах (1°÷6°) в зависимости от размеров контролируемой зоны, а также перемещение объектива вдоль его оптической оси на величину, соответствующую положению фотоприемников при угле α. Величина угла α обеспечивает практически обратное рассеяние лазерного луча, попадающими в него частицами дыма. Оптическая схема сигнализатора не требует для работы отражающих поверхностей, он компактен и самодостаточен для применения как в замкнутых отсеках, так и на открытых площадках складирования грузов, что повышает его мобильность и универсальность.
Для исключения ложных срабатываний сигнализатора, вызванных попаданием в лазерный луч летающих насекомых или крупных частиц пыли, в электронном блоке обработки и селекции сигналов установлена схема блокировки единичных сигналов большой амплитуды и малой длительности.
В обратном ходе лучей астигматических пучков следует отметить, что фотоприемник облучается не только из одной точки участка лазерного луча, но и из соседних точек, то есть каждому фотоприемнику соответствует «сопряженный» участок лазерного луча. Появление дыма в любой точке лазерного луча вызовет сигнал, превышающий уровень фона и если его величина превысит заданный пороговый уровень, то сработает тревожная сигнализация, указывающая на появление дыма в определенном месте отсека. Таким образом положительная роль астигматизма заключается в минимизации количества фотоприемников, необходимых и достаточных для надежного контроля состояния атмосферы в багажно-грузовых отсеках воздушных судов.
Минимальное количество фотоприемников и их установка в сопряженных точках участков лазерного луча определяется экспериментально при изготовлении сигнализатора.
Описание работы заявляемого устройства.
Сигнализатор не требует какой-либо настройки или калибровки при подготовке к работе, кроме установки по шкале верньерного механизма (12) расстояния до противоположной стенки отсека. Установка расстояния одновременно обеспечивает «отсечку» света лазерного пятна, отраженного от противоположной стенки отсека (10) исключающая его попадание на фотоприемник 5. При мониторинге открытых площадок складирования грузов сигнализатор устанавливают на специальной стойке (штативе), и расстояние по шкале верньерного механизма (12) выставляется до самой удаленной точки складирования груза. При отсутствии дыма на входе блока обработки и селекции сигналов (9) регистрируется фоновый сигнал каждого фотоприемника (5÷8) от соответствующих точек лазерного луча (2), см. фиг. 1. При наличии в грузовом отсеке дыма фотоприемники регистрируют интенсивность рассеянного излучения, превышающую фоновый сигнал. Пучки рассеянного назад излучения (3,31÷33) лазерного луча фокусируются на фотоприемники (5÷8). Каждый приемник излучения (5÷8) контролирует определенный участок лазерного луча, фиксируя излучение, рассеянного частицами дыма. Сигнал от того или иного приемника излучения поступает на вход блока обработки и селекции сигналов (10), сравнивается с величиной опорного сигнала и при превышении его сформированный сигнал поступает в систему тревожной сигнализации (звуковой, световой) и извещает о появление дыма на участке луча.
Таким образом, предлагаемый сигнализатор дыма с использованием обратного рассеяния света частицами дыма позволяет обнаруживать возникновение пожара как в закрытых помещениях, так и на открытых площадках складирования грузов. Для более полного мониторинга помещений и открытых площадок складирования грузов сигнализатор можно устанавливать на реверсивно-поворотных платформах.