МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ

Полезная модель относится к устройствам промышленной автоматики, в частности о наличии пламени топочной горелки, также о наличии горячего тела с t°=>300°С (тления дерева, торфа, угля), перегрева работающих электромеханических устройств таких как подшипников, кабелей электрических, перегрева корпусов силовых электротрансформаторов и пр., также может быть использована в качестве анализатора газов.
В настоящее время для решения указанных выше задач применяются конкретные датчики (сигнализаторы) для решения конкретных задач: датчики возгорания, датчики запыленности, пирометры и пр., т.е. нет универсального датчика. На пути создания такого датчика стоит преграда в виде большой внешней засветки: высокая солнечная освещенность, различные блики, переносные фонари и пр.
Известен «Датчик дыма» по патенту РФ №2037883.
Изобретение относится к пожарной сигнализации, а именно к конструкциям датчиков дым, предназначенных для использования в оптикоэлектронных пожарных извещателях для обнаружения возгораний, сопровождающихся появлением дыма в закрытых помещениях различных зданий и сооружений, путем регистрации рассеянного частицами дыма оптического излучения.
Его недостаток: он контролирует только возгорание и только в закрытых помещениях.
Известен «Сигнализатор дыма» по патенту РФ на ПМ №57492.
Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к сигнализаторам дыма, и может быть использовано для обнаружения возгораний на ранней стадии при появлении дымовых аэрозолей. Также оно может быть использована для определения запыленности в цехах точного приборостроения, особенно в микроэлектронной промышленности. Сигнализатор дыма, содержит оптический модуль, состоящий из светоизлучателя, светоприемника и кольцевой диафрагмы, при этом светоприемник и светоизлучатель расположены на оптической оси, перед излучателем и перед светоприемником расположены оптические линзы, а за линзами - диафрагмы с поглощающими камерами.
В основе работы такого датчика стоит инфракрасный эмиттерный диод (датчик оптического излучения) и инфракрасный приемник, которые помещены в так называемую «дымовую камеру», где и происходит определение наличия дыма. Сигнал, периодически излучаемый инфракрасным диодом, улавливается инфракрасным приемником и далее исследуется для определения присутствия дыма. Операционный усилитель увеличивает ток с приемника в режиме «усилитель напряжения, управляемый током», после чего сигнал поступает на микроконтроллер через АЦП. В период, когда излучение сигнала не происходит, операционный усилитель и инфракрасные элементы выключены, а микроконтроллер находится в спящем режиме с потреблением тока менее 1 мкА.
В этом патенте уже сделана попытка к универсальности. Но контролируется только два параметра: возгорание и запыленность. Эта ПМ годится только для внутренних помещений и в условиях большой освещенности (во внешней среде) не работоспособна.
В качестве прототипа выбран «Датчик пожарной сигнализации на основе микроконтроллера MSP430 от "Texas Jusdruments", см. ж. «Вестник электроники» №4 (16), декабрь 2007 г.
Недостатком прототипа является обычное стандартное решение схемы датчика пожарной сигнализации, в качестве датчика пыли, факела и т.д. он не приемлем. Ценным качеством прототипа является удачное применение ЭРЭ и ИМС. Даже в качестве пожарного извещателя этот датчик в условиях сильной посторонней засветки, например, на открытом воздухе при солнечном свете - не работоспособен, т.к. он создан только для внутренних помещений.
Технической задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей, а именно: контроля наличия СО, CO2, метана, возгорания, факелов, запыленности, перегрева и т.д., все это почти в одном конструктиве и почти по одной электрической схеме, только по разной программе микроконтроллера. Все это в условиях сильной внешней засветки-помехи, т.е. возможность работы и на открытом воздухе.
Для решения поставленной задачи предлагается многофункциональный извещатель, содержащий светоприемник, операционный усилитель, микроконтроллер и исполнительное устройство, отличающееся тем, что в него введен преобразователь освещенность-напряжение, индикатор на ЖКИ со следующими соединениями: светоприемник соединен с преобразователем освещенность-напряжение, выход которого через операционный усилитель соединен с сигнальным входом микроконтроллера, второй выход которого соединен с индикатором, третий выход - с входом исполнительного устройства, выход которого является выходом извещателя; как в варианте горячих газов в него введены дополнительные светоприемники и коммутатор, причем светоприемники соединены с сигнальными входами коммутатора, а первый выход микроконтроллера соединен с управляющим входом коммутатора, при чем число светодиодов равно числу контролируемых газов; в варианте контроля холодных газов в него введен светодатчик; в качестве светоприемников применены светодиоды, причем их длины волн выбираются из поставленной задачи, т.е. условий контроля.
На фиг.1 и фиг.2 показаны электрические структурные схемы извещателей: анализатора спектра и извещателя пламени и факела пламени соответственно, на которых изображено: 1 - коммутатор, 2 - преобразователь освещенность-напряжение, 3 - усилитель входного сигнала, 4 - микроконтроллер (МС), 5 - исполнительное устройство, 6 - индикатор (монитор, например на ЖКИ), Шс - шины сигнализации, - светоприемник, СП - светоприемники, СД - светодатчик, блок питания условно не показан. Число СД равно числу светоприемников (СП) по числу контролируемых газов (на фиг.2 условно показан один).
На фиг.3 показаны характеристики фотодиода и светодиода, включенного в режиме приемника светового сигнала в условиях внешней световой помехи большой освещенности.
Схемы по фиг.1 и фиг.2 имеют следующие соединения.
Многофункциональный извещатель, содержит светоприемник СП1, операционный усилитель 3, микроконтроллер 4 и исполнительное устройство 5, отличающееся тем, что в него введен преобразователь освещенность-напряжение 2, индикатор 6 на ЖКИ со следующими соединениями: светоприемник соединен с преобразователем освещенность-напряжение 2, выход которого через операционный усилитель 3 соединен с сигнальным входом микроконтроллера 4, второй выход которого соединен с индикатором 6, третий выход - с входом исполнительного устройства 5 выход которого является выходом извещателя; как в варианте горячих газов в него введены дополнительные светоприемники и коммутатор 1, причем светоприемники соединены с сигнальными входами коммутатора 1, а первый выход микроконтроллера 4 соединен с управляющим входом коммутатора 1, причем число светодиодов равно числу контролируемых газов; в варианте контроля холодных газов в него введены светодатчики; в качестве светоприемников применены светодиоды, причем их длины волн выбираются из поставленной задачи, т.е. условий контроля; число светодатчиков равно числу светоприемников.
Электрические узлы извещателей могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.
Светодиоды СП1-СП4, например, L-53F3, см. справочник «Оптоэлектронные приборы», т.3, М, РадиоСофт, 2000 г., усилитель входного сигнала 3 на ИМС 140УД6, см. справочник «Интегральные микросхемы», т.1, М, РадиоСофт, 2001 г., стр.410, МС4, например, на популярной серии PIC Zilok, коммутатор 1 на ИМС серии 590КН, см. справочник «Интегральные микросхемы», т.6, М, РадиоСофт, 2001 г., стр.120, исполнительное устройство 5 собственного изготовления., ЖКИ любого типа, вплоть до монитора персонального компьютера, преобразователь освещенность-напряжение 2 также собственного изготовления или же на заказной интегральной микросхеме.
Извещатель работает следующим образом, рассмотрим по фиг.1 на примере определения возгорания.
Светоприемник 2 принимает тепловой сигнал от источника возгорания, который преобразуется в напряжение на преобразователе 3, с выхода которого поступает полученное напряжение поступает на МС4, в котором он сравнивается с пороговым и в случае превышения последнего, с вых 3 выдается тревожный сигнал на исполнительное устройство 5, которое по выходным шинам выдает сигнал на центральный пульт, одновременно МС4 по вых 2 выдает кодовый сигнал на ЖКИ 6 по специальному шлейфу, который находится в ближайшем помещении.
Схема на фиг.1 предназначена для контроля, кроме возгорания: факела, например газовой горелки, горячих газов СО, CO2, контроля электрических кабелей, которые выделяют тепло при чрезмерной нагрузке, например, при коротком замыкании, перегрева подшипников, силовых трансформаторов и т.д.
Т.к. температура перегрева в каждом вышеперечисленных случаях разная, то МС4 имеет разную подпрограмму контроля, но эти все подпрограммы записаны заранее на заводе-изготовителе в МС4. Далее они включаются или на заводе-изготовителе по желанию заказчика или на извещателе с микропульта управления (на фиг.1 и 2 условно не показан), конечно, совместно с принимающим СП4 светодиодом, т.к. длина его волны выбирается из конкретной задачи.
Схема на фиг.2 работает аналогичным образом, но предназначена для контроля холодных газов, для чего поставлены три приемных светодиода, каждый на свой газ: CO, CO2 и метан, наиболее распространенные и опасные. Также поставлен светодатчик СД того же типа и длины волны, что и светоприемники СП1-СП4, который излучает эту длину волны, а светоприемники получают отраженный сигнал с МС4 по спектру поглощения определяет какой именно газ обнаружен. Для этого в МС4 введена спецпрограмма. Выходы светоприемников СП1-СП4 последовательно переключаются коммутатором 1 по управляющему входу с выхода 1 МС4.
Применение в качестве приемного фотодиода светодиода имеет следующие преимущества. Светодиод в приемном режиме обладает высокой линейной характеристикой в условиях повышенной освещенности, например, при работе на открытой местности при солнечном дне, также отраженных бликах: от стекол, фар проезжающих автомашин, света дуговой сварки и пр., что расширяет область его применения. Далее применение одного типа светодиодов дает узкую диаграмму направленности, т.к. они имеют одинаковую длину волны, что повышает чувствительность устройства. Следует заметить, что это удешевляет стоимость устройства, т.к. фотодиоды в несколько раз дороже светодиодов.
Такое построение схемы позволяет создавать оптимальную конструкцию без дополнительных оптических элементов (рассеивателей, ослабителей, линз и т.д.) самого оптического тракта.
На фиг.3 показаны характеристики фотодиода и светодиода, включенного в режиме приемника светового сигнала.
Из диаграмм видно, что фотодиод, включенный в токовом режиме (нижняя ломаная линия) обладает линейностью только до 20000 лк, но низкой чувствительностью (явно недостаточной), а фотодиод, включенный в режиме ЭДС (верхняя ломаная линия) обладает хорошей (высокой) чувствительностью, но низкой линейностью (только до 10000 лк).
Светодиод, включенный в режиме ЭДС (прямая наклонная линия), обладает очень высокой линейностью, вплоть дои выше 80000 лк и высокой чувствительностью.
Таким образом, видно, что применение светодиода в приемном режиме позволяет получить качественно новую характеристику устройства.