ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЫМА
OPTICAL SMOKE DETECTOR

Изобретение относится к средствам обнаружения пожара, а именно, к оптическим датчикам дыма с рассеянным оптическим излучением.
Известны оптические датчики дыма, содержащие источник оптического излучения и фотоприемник, расположенные таким образом, что прямым путем от источника излучения к фотоприемнику испускаемые лучи попасть не могут, работа которых основана на том, что при наличии частиц дыма в области, где осуществляется контроль плотности оптического излучения задымленной среды, рассеянное частицами дыма излучение попадает в фотоприемник, при этом вырабатывается соответствующий электрический сигнал. В этой связи весьма существенным является то, чтобы в фотоприемник поступало излучение, рассеянное именно частицами дыма, и не поступал сигнал так называемой фоновой засветки, формируемый отраженным излучением от деталей датчика дыма или поступающим в него извне, поскольку вызываемый фоновой засветкой электрический сигнал снижает точность работы детектора и может привести к его ложному срабатыванию. Для уменьшения фоновой засветки рассматриваемые оптические датчики содержат детали, на поверхности которых происходит отражение и поглощение лучей от источника излучения, падающих на указанные поверхности.
Так, известен оптический датчик дыма [US 5430307], содержащий измерительную камеру, имеющую боковое ограждение с щелями для прохода дыма, внутри которой установлены источник излучения и фотоприемник, размещенные под углом друг к другу таким образом, что точка пересечения их оптических осей расположена внутри рабочего объема измерительной камеры и оптическая ось источника излучения находится вне поля зрения фотоприемника. Измерительная камера также содержит помещенные на периферии ее рабочего объема лабиринтные элементы, выполненные в виде перегородок "Г"-образной формы, расположенных таким образом, что угол падения на них лучей от источника излучения остается постоянным. На поверхности указанных лабиринтных элементов происходит поглощение падающих от источника лучей, что способствует подавлению фонового излучения.
Однако наличие дымозаборных щелей в боковом ограждении обуславливает необходимость установки в измерительной камере дополнительных перегородок, имеющих различную конфигурацию и размеры, предназначенных для предотвращения попадания внутрь рабочего объема измерительной камеры наружного излучения, что усложняет конструкцию датчика. Кроме того, за счет возможности попадания части непоглощенного отраженного лабиринтными элементами излучения в рабочий объем измерительной камеры, в рассматриваемом датчике дыма не удается добиться высокой степени подавления фоновой засветки.
Известен оптический датчик дыма [RU 2189639], который выбран авторами в качестве ближайшего аналога заявляемого изобретения.
Рассматриваемый датчик дыма содержит измерительную камеру, имеющую замкнутое боковое ограждение, внутренняя поверхность которого ограничивает ее рабочий объем, а также крышку и дно, в котором выполнены отверстия для проникновения дыма. Внутри измерительной камеры установлены помещенные в держателях источник излучения и фотоприемник, расположенные под углом друг к другу таким образом, что оптическая ось источника излучения находится вне поля зрения фотоприемника, а точка пересечения оптических осей источника излучения и фотоприемника расположена внутри рабочего объема измерительной камеры. На периферии рабочего объема измерительной камеры на участке, расположенном между держателями источника излучения и фотоприемника, установлены отражающие излучение периферийные элементы, примыкающие к внутренней поверхности бокового ограждения. Указанные периферийные отражающие элементы (периферийные бленды) образованы двумя расположенными под углом друг к другу гранями и имеют на концевом участке заостренную кромку. Угловое положение указанных отражающих элементов относительно бокового ограждения выбрано таким, чтобы угол падения на них лучей, испускаемых источником, оставался постоянным.
Благодаря наличию описанных выше периферийных элементов, установленных с возможностью отражения непоглощенного излучения в определенном выбранном направлении, в рассматриваемом датчике дыма осуществляется подавление фонового излучения, вызванного нежелательными рассеиваниями или отражениями. Однако из-за того, что периферийные отражающие элементы установлены последовательно один за другим с образованием относительно широких каналов между противолежащими поверхностями соседних элементов, существует возможность выхода непоглощенного отраженного излучения из пространства между двумя соседними отражающими элементами в рабочий объем измерительной камеры, что может привести к возникновению сигнала фоновой засветки.
Задачей заявляемого изобретения является снижение сигнала фоновой засветки оптического датчика дыма за счет минимизации возможности выхода непоглощенных отраженных лучей от источника излучения в рабочий объем измерительной камеры.
Сущность изобретения состоит в том, что в оптическом датчике дыма, содержащем измерительную камеру, имеющую крышку, дно с отверстиями для проникновения дыма и замкнутое боковое ограждение, внутренняя поверхность которого ограничивает рабочий объем измерительной камеры, а также установленные внутри измерительной камеры и помещенные в держателях источник оптического излучения и фотоприемник, расположенные под углом друг к другу таким образом, что оптическая ось источника излучения находится вне поля зрения фотоприемника, а точка пересечения оптических осей источника излучения и фотоприемника расположена внутри рабочего объема измерительной камеры, при этом измерительная камера содержит установленные на периферии рабочего объема измерительной камеры на участке, расположенном между держателями источника излучения и фотоприемника, и примыкающие к внутренней поверхности бокового ограждения периферийные отражающие оптическое излучение элементы, содержащие установленные под углом друг к другу грани, согласно изобретению внутренняя поверхность бокового ограждения на участке, где расположены периферийные отражающие элементы, выполнена зубчатой и имеет в горизонтальной плоскости сечения измерительной камеры форму примыкающих друг к другу радиально ориентированных относительно точки пересечения оптических осей источника излучения и фотоприемника треугольных зубцов, периферийные отражающие элементы выполнены в виде радиально ориентированных относительно точки пересечения указанных оптических осей пластинчатых перегородок, имеющих в плоскости горизонтального сечения измерительной камеры форму прямоугольника с ромбовидным окончанием, которые примыкают к направленным внутрь рабочего объема измерительной камеры вершинам внутренней зубчатой поверхности бокового ограждения с образованием поглощающих оптическое излучение ячеек, внутренняя поверхность каждой из которых образована внутренней поверхностью зубца бокового ограждения и противолежащими поверхностями двух соседних перегородок, при этом взаимное угловое положение и размеры граней многогранной внутренней поверхности указанных ячеек выбраны из условия, что лучи от источника излучения, попадающие в их полости, испытывают многократное переотражение на их внутренней поверхности.
В частном случае выполнения изобретения боковое ограждение на участке, расположенном между держателем источника излучения и держателем фотоприемника, противолежащем тому, где расположены периферийные отражающие элементы, выполнено в виде двух граней, образующих клиновидную область, вершина которой ориентирована внутрь рабочего объема измерительной камеры, при этом на внутренней поверхности грани, расположенной вблизи держателя источника излучения, сформированы рассеивающие оптическое излучение зубчики, имеющие в горизонтальной плоскости сечения измерительной камеры треугольную форму.
Принципиальной особенностью заявляемого датчика дыма является использование в нем поглощающих оптическое излучение ячеек особой конструкции, внутренняя поверхность каждой из которых образована внутренней поверхностью зубца бокового ограждения и противолежащими поверхностями граней двух соседних перегородок, имеющих в плоскости горизонтального сечения форму прямоугольника с ромбовидным окончанием. За счет выбранной формы ячеек попадающие в них лучи от источника излучения задерживаются в полости ячеек и практически не распространяются внутрь рабочего объема измерительной камеры и на другие элементы конструкции.
Взаимное угловое положение и размеры граней многогранной внутренней поверхности ячеек были подобраны авторами экспериментально из условия, чтобы лучи от источника излучения, попадающие в полости ячеек, испытывали многократное переотражение на их внутренней поверхности. Выбор указанных параметров рассматриваемых ячеек осуществлялся, в частности, путем моделирования с помощью ЭВМ процесса отражения и переотражения лучей, излучаемых источником, гранями внутренней поверхности ячеек.
Таким образом, полости ячеек, имеющих описанную выше форму и геометрические параметры граней их внутренней поверхности, представляют собой «черные ящики», попадающее внутрь которых излучение вследствие многократного переотражения (и соответственно, поглощения материалом ячеек) гасится практически полностью в их полостях, не распространяясь далее.
Техническим результатом, достигаемым при использовании заявляемого изобретения, является снижение сигнала фоновой засветки оптического датчика дыма за счет минимизации возможности выхода непоглощенных отраженных лучей от источника излучения в рабочий объем измерительной камеры. В результате в стационарном (бездымовом) режиме в заявляемом датчике дыма обеспечивается минимальный электрический сигнал фоновой засветки, что повышает точность его работы.
На чертеже представлен общий вид измерительной камеры заявляемого оптического датчика дыма (вид сверху).
Оптический датчик дыма содержит измерительную камеру, имеющую замкнутое боковое ограждение 1, внутренняя поверхность которого ограничивает ее рабочий объем. Внутри измерительной камеры установлены полые держатели 2 и 3, предназначенные для размещения в них соответственно источника оптического излучения, в качестве которого использован, в частности, ИК - светодиод, и фотоприемника, в качестве которого использован фотодиод (на чертеже не показаны).
Источник излучения и фотоприемник установлены в держателях 2 и 3 под углом друг к другу таким образом, что их оптические оси лежат в плоскости горизонтального сечения измерительной камеры, оптическая ось источника излучения находится вне поля зрения фотоприемника, а точка О пересечения указанных оптических осей расположена внутри рабочего объема измерительной камеры. При этом взаимное положение источника излучения и фотоприемника, расстояние от источника излучения и фотоприемника до точки пересечения их оптических осей, а также характеристики, им соответствующие - диаграммы направленности излучения и приема - выбраны таким образом, чтобы при недопущении попадания прямого сигнала от источника излучения на приемник обеспечить максимально возможную область взаимного перекрытия указанных диаграмм. В таком случае достигается снижение мощности излучения источника при сохранении высокой чувствительности регистрирующей схемы оптического датчика дыма.
Внутренняя поверхность бокового ограждения 1 на периферии рабочего объема измерительной камеры на участке, расположенном между держателями 2 и 3 источника излучения и фотоприемника, выполнена зубчатой в виде примыкающих друг к другу зубцов 4. Зубцы 4 радиально ориентированы относительно точки О пересечения оптических осей источника излучения и фотоприемника и имеют в горизонтальной плоскости сечения измерительной камеры треугольную форму. На периферии рабочего объема измерительной камеры расположены примыкающие к боковому ограждению 1 периферийные отражающие оптическое излучение элементы 5. Указанные элементы 5 выполнены в виде радиально ориентированных относительно точки О пересечения оптических осей источника излучения и фотоприемника пластинчатых перегородок, которые примыкают к направленным внутрь рабочего объема измерительной камеры вершинам внутренней зубчатой поверхности бокового ограждения 1. Перегородки 5 имеют в плоскости горизонтального сечения измерительной камеры форму прямоугольника с ромбовидным окончанием на конце, обращенном внутрь рабочего объема измерительной камеры. Зубцы 4 и перегородки 5 образуют поглощающие оптическое излучение ячейки 6, внутренняя поверхность каждой из которых образована внутренней поверхностью зубца 4 бокового ограждения 1 и противолежащими поверхностями двух соседних перегородок 5. Взаимное угловое положение и размеры граней внутренней поверхности ячеек 6 выбраны из условия, что лучи от источника излучения, попадающие в полости указанных ячеек 6, испытывают многократное переотражение на их внутренней поверхности. При этом предпочтительным является, чтобы в качестве материала измерительной камеры был выбран материал с высокой поглощающей оптическое излучение способностью.
Боковое ограждение 1 на участке, расположенном между держателем 2 источника излучения и держателем 3 фотоприемника, противолежащем тому, где расположены периферийные отражающие элементы 5, выполнено в виде двух граней 7 и 8, образующих клиновидную область, вершина которой ориентирована внутрь рабочего объема измерительной камеры. На внутренней поверхности грани 7, расположенной вблизи держателя 2 источника излучения, сформированы рассеивающие оптическое излучение зубчики 9, имеющие в горизонтальной плоскости сечения измерительной камеры треугольную форму.
Держатели 2 и 3 снабжены соответственно диафрагмами 10 и 11, способствующими формированию рабочего пучка излучения от источника и отсечке паразитного излучения, принимаемого фотоприемником.
Использование диафрагм 10 и 11 и наличие рассеивающих зубчиков 9 на поверхности грани 7 приводит к уменьшению влияния разброса параметров диаграмм направленности и приема на стабильность работы датчика дыма. Кроме того, рассеивающие зубчики 9 препятствуют попаданию прямого излучения от источника на поверхность фотоприемника.
Измерительная камера также включает крышку (на чертеже не показана) и дно 12 с отверстиями для проникновения дыма, имеющее рифленую поверхность.
Устройство работает следующим образом.
При включенном питании источник излучает лучи, которые за счет выбора местоположения источника излучения и фотоприемника, а также их оптических характеристик не попадают прямым путем в фотоприемник. При этом в отсутствии дымовых частиц сигнал, регистрируемый фотоприемником, размещенным в держателе 3, от источника излучения, размещенного в держателе 2, дает минимальный сигнал фоновой засветки. Это достигается в первую очередь за счет наличия ячеек 6, в полостях которых происходит многократное переотражение (и соответственно, поглощение) падающих на внутреннюю поверхность указанных ячеек 6 лучей от источника излучения. В результате излучение от источника практически полностью гасится, не распространяясь далее. Минимизации сигнала фоновой засветки также способствует наличие рассеивающих зубчиков 9 и диафрагм 10 и 11.
При попадании внутрь дымовой камеры дыма излучение, рассеянное от частичек дыма, засвечивает внутренний рабочий объем измерительной камеры
Фотоприемник (фотодиод), который регистрирует область рабочего объема, в которую попадает рассеянное от частичек дыма излучение, вырабатывает соответствующий электрический сигнал.