ТОЧЕЧНЫЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ДЫМОВОЙ ДАТЧИК

Полезная модель относится к приборостроению, а именно к устройствам измерения оптической плотности газовой среды. Более конкретно, полезная модель относится к системам пожарной сигнализации и предназначена для определения концентрации дыма при анализе развития пожарной ситуации. Датчик может быть использован в дымовых и комбинированных аналоговых пожарных извещателях или в других устройствах, где требуется измерение плотности оптической среды.
Из уровня техники известны различные конструкции оптико-электронных точечных датчиков измерения оптической плотности среды, использующих эффект рассеивания (отражения) света на частичках дыма в затемненной оптической камере (см., в частности, патенты РФ №2509369, США №3,914,616, заявку США №2008/0191888). К преимуществам таких датчиков следует отнести достаточно высокую чувствительность, поскольку дым регистрируется подсветкой его частичек ярким световым лучом на черном фоне, создаваемом оптической камерой. К недостаткам таких датчиков следует отнести повышенные требования к конструкции оптической камеры, которая должна обеспечивать подавление светового луча подсветки в зоне фотоприемника с одной стороны и производить его экранирование от внешней засветки - с другой. Кроме того, существенным недостатком таких датчиков является повышенное сопротивление движению входящего в камеру дымового потока, создаваемое экранирующей оболочкой дымовой камеры, в том числе, и за счет электризации дымовых частичек, которое проявляется в увеличения времени обнаружения пожара.
Указанный недостаток не присущ известным датчикам бескамерной конструкции, в которых также используется эффект рассеивания (отражения) света на частичках дыма, а светоприемник и источник светового луча находятся на внешней (незащищенной) стороне датчика (см., в частности, заявку США №2011/0194111). Отсутствие закрытой оптической камеры увеличивает скорость их реакции на появление дыма, однако, в условиях такого отсутствия работа фотоприемника проходит в условиях сильных внешних помех - внешней засветки от источников освещения, отраженных сигналов от окружающих предметов, насекомых и т.п. Уровень внешних помех в таком датчике может превышать полезный отраженный сигнал от частичек дыма, а для подавления помех используют специальную цифровую обработку сигнала от фотоприемника. Кроме того, недостатком таких датчиков является снижение чувствительности датчика при воздействии мощных внешних помех, смещающих рабочую точку фотоприемника в нелинейный участок и вызывая эффект блокирования полезного сигнала.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению являются датчики, работающие по принципу измерения оптической плотности среды за счет измерения затухания (см., например, патент РФ №156011). Работа таких датчиков построена по принципу измерения степени уменьшения яркости прямого светового луча при его поглощении частицами дыма, возникающими на пути распространения такого луча. Для формирования узкой диаграммы направленности светового луча используется набор диафрагм, а для стабилизации параметров измерения используют отдельный опорный канал из светового излучателя и фотоприемника, помещенных в отдельную изолированную от света и дыма камеру, при этом сигналы от фотоприемников измерительного и опорного каналов подключены к микропроцессору, в котором осуществляется обработка этих сигналов. Вместе с тем, наличие единственного измерительного канала следует отнести к недостаткам таких датчиков, поскольку не позволяет производить анализ пространственных распределений оптической плотности среды с целью выявления пожара на ранних стадиях его развития, что увеличивает время обнаружения пожара.
Задача, решаемая при разработке заявленной полезной модели, состоит в создании точечного оптико-электронного дымового датчика, нечувствительного к внешней засветке в условиях отсутствия в его конструкции оптической камеры и обладающего возможностью выявления ранних признаков пожара. Технический результат, достигнутый при решении такой задачи, состоит в обеспечении возможности установления факта наличия дыма на ранних стадиях развития пожара, в том числе, в уменьшении количества (уровня) ложных срабатываний.
Для достижения поставленного результата предлагается датчик дыма (точечный дымовой пожарный извещатель), содержащий несколько измерительных каналов, каждый из которых содержит расположенные в закрытых диафрагмах светоизлучающий элемент и фотоприемник, между которыми расположена открытая диафрагма, фотоприемники измерительных каналов через контроллер связаны с генератором тока, при этом датчик дополнительно снабжен светоизлучающим элементом и фотоприемником опорного канала, расположенными в светоизолированной камере, а светоизлучающие элементы измерительных и опорного каналов последовательно соединены с генератором тока, связанным также с фотоприемником опорного канала.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена, в частности, тем, что для снижения уровня внешней засветки, а также для формирования узкой диаграммы светового луча в канале измерения используются закрытые и открытые диафрагмы. Сужение диаграммы светового луча позволяет отфильтровать прямой луч от лучей, отраженных частичками дыма, которые суммируясь с прямым лучам, работая в противофазе, уменьшают чувствительность оптического датчика. Кроме того, применение отдельного опорного канала стабилизирует мощность измерительного светового луча за счет светового излучателя и фотоприемника, помещенных в отдельную изолированную от света и дыма камеру. Подобная стабилизация мощности светового потока дополнительно позволяет расширить рабочий температурный диапазон датчика.
Полезная модель поясняется условной схемой заявленного точечного оптико-электронного дымового датчика (фиг. 1), а также изображением внешнего вида в разрезе (фиг. 2).
Нижеследующее подробное описание точечного оптико-электронного дымового датчика заявленной конструкции содержит обоснование возможности достижения поставленного результата, при этом такой пример ни в коей мере не ограничивает объем притязаний, определенный формулой полезной модели, а представленный конкретный пример реализации лишь иллюстрирует возможность применения заявленного датчика в устройствах пожарной сигнализации.
Заявленный точечный оптико-электронный дымовой датчик состоит из микроконтроллера 1, первый выход которого подключен к первому управляющему входу генератора тока 2, а второй - к интерфейсному устройству 3, с помощью которого через шину подключения 4 осуществляется передача данных измерения на внешнее устройство 5 и производится получение внешнего электропитания. К входу микроконтроллера 1 подключены выходы аналого-цифровых преобразователей 6-1, 6-2, 6-3, входы которых, в свою очередь, соединены с фотоприемниками измерительных каналов 7-1, 7-2, 7-3 через преобразователи ток-напряжение 8-1, 8-2, 8-3, соответственно. Фотоприемник опорного канала 9 через преобразователь ток-напряжение 10 подключен к инвертирующему входу усилителя сигнала ошибки 11, к неинвертирующему входу которого подключен источник опорного напряжения 12. Выход усилителя сигнала ошибки 11 подключен ко второму управляющему входу генератора тока 2, выход которого соединен с последовательно-соединенными светоизлучающими элементами 13-1, 13-2, 13-3 измерительных каналов и 14 - опорного. Светоизлучающий элемент опорного канала размещен в светоизолированной камере 15 совместно с фотоприемником опорного канала 9. Светоизлучающие элементы измерительных каналов 13-1, 13-2, 13-3 помещены в закрытую диафрагму 16, фотоприемники измерительных каналов 7-1, 7-2, 7-3 помещены в закрытую диафрагму 17, а между ними размещена открытая диафрагма 18.
Работа датчика осуществляется следующим способом.
Микроконтроллер приемного устройства 1 с заданной периодичностью дает разрешение на включение генератора тока 2, при этом одновременно включаются светоизлучающие элементы 13-1, 13-2, 13-3 измерительных каналов и светоизлучающий элемент 14 опорного канала. Световой поток от светоизлучающего элемента опорного канала 14 попадает на фотоприемник опорного канала 9, а генерируемый им при этом ток преобразуется в напряжение вторым преобразователем ток-напряжение 10. С его выхода напряжение, пропорциональное мощности светового потока подается на усилитель сигнала ошибки 11, где этот сигнал сравнивается с порогом, поступающим от источника опорного напряжения 12. В зависимости от того, сигнал от фотоприемника больше или меньше опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки 11 формирует напряжение управления на изменение генератором тока генерируемого тока на уменьшение или увеличение, соответственно. Таким образом, за счет работы замкнутой петли регулирования по сигналу фотоприемника 9, происходит стабилизация уровня мощности светового потока от светоизлучающего элемента опорного канала 14, соответствующая уровню порогового напряжения на входе усилителя сигнала ошибки 10.
Так как ток, протекающий через светоизлучающие элементы измерительных каналов 13-1, 13-2, 13-3, равен току, протекающему через светоизлучающий элемент опорного канала 14 за счет их последовательного соединения, то приведенная к выходу фотоприемника мощность излучения в измерительном канале также стабилизируется.
Полученные стабильные по мощности излучения в измерительном канале световые потоки, проходя через систему диафрагм 16, 17, 18, где происходит его фильтрация от отраженных лучей, попадают на фотоприемники измерительных каналов 7-1, 7-2, 7-3, с выходов которых сгенерированные фототоки преобразуется в напряжение в преобразователях ток-напряжение 8-1, 8-2. 8-3. Далее сигналы подвергаются оцифровке в аналого-цифровых преобразователях 6-1, 6-2, 6-3 и поступают в микроконтроллер 1 для математической обработки. Плотность оптической среды оценивается математически по величине относительного уменьшения уровня мощности светового потока.
Оптическая плотность среды ρ, дБ/м при этом определяется как среднее значение результатов измерения в трех измерительных каналах и рассчитывается по формуле:
01
1
02
2
03
3
ρ=10/l·(log(U/U)+log(U/U)+log(U/U))/3, где:
l - оптическая длина измерительных каналов, м;
01
02
03
U, U, U - напряжения, пропорциональные потокам излучения при отсутствии дыма в первом, втором и третьем измерительном каналах соответственно, В;
1
2
4
U, U, U - напряжения, пропорциональные потокам излучения в задымленной среде в первом, втором и третьем измерительном каналах соответственно.
Для формирования сигнала предупреждения о ранней стадии возгорания формируется сигнал, характеризующий свойства дыма в его пространственной неоднородности (например, проявляющихся при клублении дыма в процессе его переноса в пространстве в восходящих протоках нагретого воздуха), как максимальное значение разностных сигналов между каналами
P
1
2
1
3
2
3
U=MAX(|U-U|, |U-U|, |U-U|).
P
P
В отсутствие возгорания величина U близка к нулю, но при возникновении продуктов горения, когда оптическая плотность среды намного меньше порога обнаружения пожара, величина U быстро растет и при превышении некоторого порога формируется сигнал предупреждения о начале пожара и дается разрешение на выдачу результатов измерения оптической плотности среды.
Результаты измерения и сигнал предупреждения через интерфейсное устройство 3 через шину подключения 4 передаются на внешнее устройство 5.
Конструкция заявленного точечного оптико-электронного дымового датчика позволяет повысить его чувствительности, уменьшив, тем самым, время обнаружения пожара и снизить уровень ложных тревог.