АКУСТООПТИЧЕСКОЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к акустооптическим измерительным устройствам спектрометрии и может быть использована в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой промышленности для определения наличия или отсутствия пламени в системе пожарной безопасности технологических установок и объектов.
Известен инфракрасный трехспектральный извещатель пламени (патент РФ №2398609, МПК А62С 37/00, G08B 17/12, опубл.: 10.09.2010), в котором детектирование пламени осуществляется приемником излучения в виде трех фотогальванических приемников, реагирующих на излучение в трех спектральных поддиапазонах, два из которых соответствуют селективным полосам излучения продуктов горения, а третий - эталонный, соответствует излучению основных фоновых помех.
Недостатком данного устройства является низкая точность измерения фотогальваническими приемниками излучений трех спектральных поддиапазонов, что приводит к погрешностям измерений.
Известен пирометрический датчик пожарной сигнализации (патент РФ №2109345, МПК G08B 17/12, опубл.: 20.04.1998), в котором инфракрасное излучение охраняемого объекта при помощи объектива фокусируется, и пройдя через отверстие диафрагмы, разделяется светоделительной пластиной на два потока. Каждый из этих потоков через светофильтр или с разными спектрами пропускания попадает на фотодетекторы. Линза совместно с объективом образует оптическую систему, которая служит для фокусировки потока на чувствительные окна фотодетекторов. Светофильтры и выделяют из светового потока различные участки спектра.
Недостатком данного устройства является его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие исключить влияние помех, что снижает его область применения в силу конструктивно-технологических особенностей датчика.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является фотометр пламенный (патент РФ на полезную модель №132548, МПК G01J 3/06, опубл.: 20.09.2013), содержащий горелку с устройством впрыска раствора исследуемого вещества и системой подачи воздуха и газа, акустооптический монохроматор, связанный с высокочастотным драйвером и фотоприемником, при этом акустооптический монохроматор содержит акустооптическую ячейку с пьезоэлектрическим излучателем, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами и выполненную в виде чувствительного к ультразвуковым воздействиям одноосного кристалла, а высокочастотный драйвер содержит синтезатор частоты и усилитель мощности ультразвука, при этом выход блока обработки и регистрации результатов измерений связан с входом высокочастотного драйвера.
Недостатком ближайшего аналога является сложность конструкции и ограниченные функциональные возможности.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей измерения пламени за счет введения в схему второго фотоприемника, акустооптической ячейки Рамана-Ната и микроконтроллера с подключенным интерфейсом.
Техническим результатом полезной модели является снижение порога чувствительности устройства.
Поставленная задача решается тем, что в акустооптическом информационно-измерительном устройстве контроля пламени, содержащем акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, выполненную в виде чувствительного к ультразвуковым воздействиям одноосного кристалла, с пьезоэлектрическим излучателем, динамически генерирующим в акустооптической ячейке механические колебания таким образом, что обеспечивается дифракция излучения пламени в трех спектральных диапазонах (инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом), фотоприемник, блок обработки и регистрации результатов измерений, в отличие от прототипа, акустооптическая ячейка, выполненная в виде акустооптической ячейки Рамана-Ната, и источник излучения оптически связаны волоконно-оптическим кабелем, выходной торец которого подключен к входу акустооптической ячейки, при этом дополнительно введен второй фотоприемник так, что входными сигналами обоих фотоприемников являются световые лучи +1 и -1 мод с выхода акустооптической ячейки Рамана-Ната, а их выводы соединены со входом блока обработки и регистрации результатов измерений, включающего в себя микроконтроллер и интерфейс.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема заявляемого акустооптического информационно-измерительного устройства контроля пламени.
В состав устройства входят источник излучения 1, связанный с акустооптической ячейкой Рамана-Ната 2 волоконно-оптическим кабелем (не показан), к которой присоединен пьезоизлучатель 3, подключенный к генератору радиочастоты 4 и демпферу ультразвуковых колебаний 5, где образуются периодические неоднородности среды, создаваемые ультразвуковой волной (УЗ-волной) 6, и УЗ-волна 7, создаваемая в акустооптическом материале ячейки пьезоизлучателем 3, поступающие на фотоприемники 8 и 9, связанные с микроконтроллером 10 с подключенным интерфейсом 11.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Источник излучения 1 в виде электромагнитной волны длиной λ и частотой со подается на акустооптическую ячейку Рамана-Ната 2, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, в которой при прохождении УЗ-волны 7 длиной волны Λ и частотой Ω, создаваемой пьезоизлучателем 3, образуются периодические неоднородности среды 6. При попадании луча света на эти неоднородности имеет место дифракция Рамана-Ната, при которой луч распадается на ряд мод порядка m=0, ±1, ±2. Угол Ω=±mλ/Λ, где m - порядок дифракции (целое число); Λ - длина волны ультразвука; λ - длина волны света. Через скрещенные поляризаторы свободно пройдут колебания светового вектора, параллельные плоскостям поляризаторов, далее попадая на анализатор, при этом колебания светового вектора, перпендикулярные плоскостям поляризации, полностью поглотятся.
1
2
3
1
2
3
min
max
Для регистрации источника излучения 1 необходимо наличие хотя бы одного из спектров электромагнитного излучения, а именно, по меньшей мере, трех диапазонов длин волн инфракрасного λ, видимого λ и ультрафиолетового λ. Для этого происходит генерирование, по меньшей мере, трех частот Ω, Ω, Ω генератором радиочастоты 4, соответствующие длинам волн спектра излучения пламени источника излучения 1. При этом генерирование данных частот генератором радиочастоты 4 происходит динамически с заданным периодом. Тем самым, регистрируется конкретная частота излучения в спектре. Далее частота генератора радиочастоты изменяется на ΔΩ, и цикл измерений повторяется. Результирующая картина спектра излучения будет получена при прохождении генератором радиочастоты всего диапазона частот от Ω до Ω и выполнении измерений на каждом шаге ΔΩ. Отметим, что диапазон генерируемых частот от генератора радиочастоты 4 может быть расширен, но должен быть необходимым и достаточным для регистрации конкретного спектра излучения пламени. Задание конкретного диапазона частот и управление генератором радиочастоты 4 происходит микроконтроллером 10 по определенному алгоритму.
Как правило, используются лучи ±1 порядка дифракции. Моды порядков +1 и -1 попадают на фотоприемники 8 и 9, в качестве которых используются фотодиоды. Электрический сигнал с выхода фотоприемников 8 и 9 поступает на микроконтроллер 10, в котором обрабатывается по определенным алгоритмам, обеспечивающим коррекцию погрешностей. С помощью интерфейса 11, при необходимости, информация от микроконтроллера 10 передается для дальнейшей обработки и отображения.
Таким образом, предлагаемое акустооптическое информационно-измерительное устройство контроля пламени позволяет снизить порог чувствительности и расширить функциональные возможности измерения пламени.