ДАТЧИК ДЫМА
SMOKE DETECTOR

Изобретение относится к пожарной сигнализации, точнее к оптико-электронным датчикам, обнаруживающим газообразные продукты, возникающие при пожаре.
Из уровня техники известны два основных типа оптико-электронных датчиков определения задымленности.
Первый тип датчиков работает по рассеянию света, при этом излучатель и приемник света располагаются не на одной оптической оси. Когда продуктов сгорания в освещаемом излучателем объеме нет, сигнал на светоприемнике мал, появился дым - сигнал увеличивается. К преимуществам таких датчиков следует отнести достаточно высокую чувствительность, поскольку наличие дыма определяется подсветкой его частичек ярким световым лучом на черном фоне, создаваемом затененной оптической камерой. К недостаткам таких датчиков следует отнести достаточно сложную конструкцию камеры, в которой необходимо обеспечить подавление светового луча подсветки в зоне фотоприемника с одной стороны и экранирование от внешней засветки. Существенным недостатком таких датчиков является повышенное сопротивление движению входящего в камеру дымового потока, происходящее за счет сложного пути прохода продуктов сгорания в камеру.
Другой тип датчиков работает по затуханию оптического сигнала, при этом излучатель и приемник света располагаются на одной оптической оси, область вокруг которой является областью детектирования дыма. Когда продуктов сгорания в области детектирования нет, сигнал на светоприемнике большой, появился дым - сигнал уменьшается.
Датчики, регистрирующие затухание оптического сигнала в присутствии дыма используются, в частности, в линейных детекторах дыма, когда источник излучения и фотоприемник расположены на большом оптическом удалении друг от друга, например, на разных стенах помещения или на одной, но оптически связаны отражателем. На большой длине происходит существенное затухание сигнала при наличии дыма в помещении. Таким датчикам дыма также присущ недостаток, связанный с «засветкой» внешним излучением. Для уменьшения влияния засветки применяют оптические фильтры, фокусирующие оптические элементы. Иногда применяют меры, не допускающие прямого излучения внешних источников в приемную часть.
До недавнего времени во всех типах детекторов дыма использовалось излучение ближнего инфракрасного диапазона. С развитием технологий светоизлучающих элементов для излучения стали использовать и видимый диапазон длин волн. Применение видимого излучения позволяет регистрировать более мелкие частички дыма. Так, известны автоматические пожарные извещатели, работающие по рассеянию света фирмы Bosch с двойным оптическим сенсором инфракрасного и синего диапазона.
Известны датчики дыма, регистрирующие затухание света при наличии дыма, использующие для излучения светодиоды синего и красного цветов видимого спектра, патент на полезную модель RU 156011, публикация 27.10.2015 и патент RU 162728, публикация 27.06.2016, МПК G08B 17/00. Светоизлучающие элементы измерительных каналов помещены в закрытую диафрагму, фотоприемники измерительных каналов также помещены в закрытую диафрагму, а между ними размещена открытая диафрагма. Светоизлучающий элемент опорного канала размещен в изолированной от внешних источников света камере совместно с фотоприемником опорного канала.
Известен датчик дыма по заявке DE 102012214357, публикация 13.02.2014, МПК G08B 17/103, реагирующий на затухание оптического сигнала при появлении в камере, где установлены излучатель и приемник для приема светового излучения излучателя, продуктов сгорания пожара.
Во всех известных нам из уровня техники датчиках дыма в качестве приемника света используются фотодиоды или фотоматрицы. Для большинства применений фотодиодов и фотоматриц требуется относительно широкий спектр принимаемых световых излучений. Поэтому они изготавливаются по технологиям, обеспечивающим высокую чувствительности в широком диапазоне спектра. Применение таких (широкополосных) приемников в датчиках дыма бескамерной конструкции, работающих по затуханию сигнала в присутствии дыма, приводит к эффекту маскирования (блокирования) полезного сигнала.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции датчика при сохранении малой зависимости его работы от внешних источников света и обеспечении быстрой реакции датчика на появление дыма в пространстве, где он установлен.
изл 1
изл 2
изл 1
Датчик дыма включает корпус с камерой, с выполненными в нем отверстиями для попадания внутрь камеры газообразных продуктов, возникающих при пожаре, при этом в камере установлены на одной оптической оси светоизлучающий элемент и приемник света. При этом приемник света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения λ, включенного в измерительную цепь датчика в гальваническом режиме фотодиода, а светоизлучающий элемент также выполнен в виде светодиода, с длиной волны излучения λ, не превышающей λ приемника света.
изл 1
Кроме того, приемник света может быть выполнен в виде светодиода синего спектра с длиной волны излучения, примерно равной λ=470 мкм.
В частном случае на оптической оси между светоизлучающим элементом и приемником света установлен дополнительный фокусирующий элемент.
Изобретение поясняется чертежами.
На Фиг. 1 приведен один пример реализации датчика.
На Фиг. 2 приведен другой пример реализации датчика с дополнительным фокусирующим элементом.
изл 1
изл 2
изл 1
Датчик дыма (Фиг. 1) включает корпус 1 с камерой 2, с выполненными в корпусе отверстиями 3 для попадания внутрь камеры газообразных продуктов, возникающих при пожаре. В камере 2 датчика на одной оптической оси 6 установлены светоизлучающий элемент 4 и приемник 5 света. Приемник 5 света выполнен в виде светодиода с длиной волны излучения λ. Светоизлучающий элемент 4 также выполнен в виде светодиода, с длиной волны излучения λ, не превышающей λ приемника 5 света.
На Фиг. 2 приведен пример реализации датчика, в котором на оптической оси 6 между светоизлучающим элементом 4 и приемником 5 света дополнительно установлен фокусирующий элемент 7.
Из уровня техники известно, что светодиод является взаимным элементом, в том смысле, что может работать в как излучатель, так и в обратном фотогальваническом режиме и служить источником фототока. Технология изготовления светодиода прежде всего направлена на эффективное излучение света определенной длины волны. Длина волны зависит исключительно от ширины запрещенной зоны, то есть от материала полупроводника, и от легирующих примесей. Чем «синее» светодиод, тем выше энергия квантов, а значит, тем больше должна быть ширина запрещенной зоны. При этом если использовать светодиод в качестве фотоприемника, фотоны той части спектра светового потока, которая имеет длину волны больше длины волны излучения светодиода, не обладают энергией способной «преодолеть» ширину запрещенной зоны. Такие фотоны, с такой длиной волны и, следовательно, квантовой энергией, не создают фототока. Поэтому, например, синий светодиод обладает идеальными фильтрующими свойствами для излучений зеленого, желтого, красного и тем более инфракрасного диапазонов светового спектра. При этом, он будет обладать высокой чувствительностью к синему, фиолетовому и ультрафиолетовому излучению.
изл 1
Исследования, проведенные автором, показали, что при использовании синего светодиода с длиной волны излучения λ=470 мкм в фотогальваническом режиме фототок при облучении таким же светодиодом, или светодиодом еще меньшей длины волны, то есть с еще большей квантовой энергией, находящимся на расстоянии нескольких сантиметров, в несколько раз превышает фототок при освещении люминесцентным светом рассеянным световым потоком 12000 лк. Применение такой оптической пары позволяет в относительно открытой системе, например, бескамерной конструкции датчика дыма, устранить известный недостаток, связанный с маскированием полезного сигнала в датчиках дыма, работающих на принципе поглощения дымом излучения источника. Термин «относительная открытость» камеры подразумевает требование обеспечить только не попадание прямых лучей внешнего излучения на кристалл светодиода, используемого в качестве приемника. Необходимо обеспечить условие, при котором сигнал помехи, детектируемый светодиодом в фотогальваническом режиме от рассеянного света при потоке 12000 лк, был на порядок меньше, полезного сигнала прямого излучения рабочим светодиодом такой же длиной волны.
изл 1
При макетировании со светодиодами красного диапазона λ=680 мкм соотношение при прочих равных условиях полезного и «засветочного» сигналов было чуть хуже, чем для синего светодиода.
Для обеспечения такого ограничения не требуется ни затененность внутренней части камеры, ни создания «лабиринтов» на входе камеры. Обеспечению этого требования способствует применение светодиодов с фокусирующей оптической линзой, сужающей (фокусирующей) телесный угол до 25-20 градусов. Именно такие светодиоды и являются массовыми в производстве.
Датчик дыма используется следующим образом.
изл 2
изл 1
изл 2
Светоизлучающий элемент 4 и приемник 5 света установлены на одной оптической оси 6, поэтому световой поток светоизлучающего элемента 4 направлен на приемник 5 света. При отсутствии дыма сигнал от светоизлучающего элемента 4, светодиода, с длиной волны излучения λ, попадает в приемник 5 света, также светодиода, у которого λ в режиме излучения равна или выше чем λ светоизлучающего элемента 4.
изл 1
Например, если используется приемник 4 света со светодиодом красного диапазона λ=680 мкм, то светоизлучающий элемент 5 должен быть выполнен в виде светодиода также красного диапазона с длиной волны 680 мкм, или из светодиода с более короткой длиной волны, от желтого до фиолетового.
Если используется приемник 4 света со светодиодом синего диапазона, диапазона, то светоизлучающий элемент 5 должен быть синего или фиолетового диапазона.
При появлении в камере 2 корпуса 1 продуктов сгорания уровень сигнала на приемнике 5 падает, что регистрируется датчиком дыма, как сигнал тревоги.
При этом рассеянный свет засветки, попадающий внутрь камеры 2 корпуса 1 через отверстия 3, мало влияет на работу датчика дыма. Особенно это относится к случаю, когда применяются светодиоды более коротких диапазонов видимого света. При конструировании камеры требуется, чтобы прямые лучи внешней засветки не попадали на кристалл светодиодного приемника с телесного угла β его диаграммы направленности.
Следует отметить, что применение светодиодов синего (или фиолетового) света позволяет использовать открытую конструкцию датчика дыма, то есть с хорошим заходом дыма, не только менее чувствительного в паразитной засветке, но и боле чувствительного к дыму, за счет детектирования более мелких частичек дыма.
В дополнение, известно, что светодиодное излучение красного цвета, используется в датчиках дыма в качестве индикации тревожного состояния. Применение светодиодов не красного диапазона в относительно открытом канале обнаружения одновременно выполняет роль индикации рабочего не тревожного состояния датчика.
Установка на оптической оси 6 между излучающим и приемным светодиодами дополнительной фокусирующего элемента 7 одновременно приводит к трем положительным факторам: снижению энергопотребления, увеличению полезного сигнала (увеличению чувствительности) и уменьшению помехового сигнала от маскирующей засветки.
Первое достигается, тем, что практически вся излучаемая энергия попадает на кристалл приемника.
Второе обеспечивается за счет увеличения области 8 выявления наличия дыма, области детектирования. Для сравнения эти области 8 выделены штриховкой на Фиг 1 и Фиг 2.
Третье обеспечивается тем, что апертура оптической системы перекрывает телесный угол β оптической диаграммы приемника. Для сравнения на Фиг 1 в области телесного угла β отверстия 3 отсутствуют, а на Фиг 2 имеются.
Конструкция датчика позволяет снизить производственные расходы за счет упрощения корпуса и других элементов датчика. При этом датчик меньше зависит от внешней, паразитной засветки и быстрее реагирует на появление дыма в пространстве, где он установлен.