ВЫСОКОСТАБИЛЬНЫЙ 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 аэродинамическое сопротивление движению входящего в камеру дымового потока, создаваемое защитной механической оболочкой дымовой камеры, 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.
Главный недостаток датчиков, использующих эффект рассеивания (отражения) состоит в необходимости периодической чистки и ручной перекалибровки датчика в виду отсутствия автоматически получаемой информации о величине яркости полезной и паразитной засветки оптической камеры, а также зависимости результатов измерения от температурной нестабильности и физической деградации параметров светоизлучателей и фотоприемников.
Наиболее близким аналогом к заявляемому решению являются датчики, работающие по принципу измерения оптической плотности среды за счет измерения затухания с использованием дымовой камеры (см., например, патент США №6,653,942). 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 уменьшения влияния внешней засветки применяют экранирующую оптическую камеру. Для формирования узкой диаграммы направленности светового луча используется набор диафрагм, а для стабилизации параметров измерения используют фотоприемник опорного канала, при этом сигналы от фотоприемников измерительного и опорного каналов подключены к микропроцессору, в котором осуществляется обработка этих сигналов. Вместе с тем, наличие оптической камеры следует отнести к недостаткам таких датчиков, поскольку за счет сопротивления дымовому потоку она 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. Технический результат, достигнутый при решении такой задачи, состоит в повышении чувствительности датчика при одновременном упрощении его конструкции и повышении температурной и долговременной стабильности при измерении степени задымленности.
Для достижения поставленного результата предлагается датчик дыма (точечный дымовой пожарный извещатель), содержащий контроллер и два измерительных канала в виде волноводов, в каждом из которых размещены светоизлучающий элемент и фотоприемник измерительного канала, при этом светоизлучающий элемент в каждом из каналов имеет возможность светового контакта с фотоприемниками обоих каналов, выходы контроллера связаны с каждым из светоизлучающих элементов, вход - с каждым из фотоприемников, а волноводы выполнены с возможностью попадания в них дыма. Наличие связи (светового контакта) светоизлучающего элемента в одного из волноводов с фотоприемником второго необходимо для реализации опорных каналов.
В рамках развития конструкции заявленного датчика, волноводы могут быть выполнены квадратными, свободно вентилируемыми, например, за счет наличия прорезей, отверстий или т.п. Кроме того, волноводы могут иметь общую стенку, при этом световая связь светоизлучающего элемента одного измерительного канала с фотоприемником второго осуществляется через соответствующее отверстие в указанной общей стенке.
Идеология конструкции заявленного датчика основана на том, что для обеспечения высокой чувствительности и невосприимчивости к внешней засветке, требуется повышенная мощность светового потока в измерительном канале, которая может быть достижима только в датчиках, использующих метод измерения оптической плотности среды за счет измерения затухания. Это обеспечивает высокую интенсивность измерительного луча по сравнению с источниками внешней засветки, то есть изначально обеспечивается высокое соотношение сигнал/помеха.
Возможность достижения поставленного результата обусловлена, в частности, тем, что для формирования диаграммы светового луча в канале измерения используется волновод, применение которого позволяет сформировать прямой луч и отфильтровать прямой луч от лучей, отраженных частичками дыма, которые суммируясь с прямыми лучами, работая в противофазе, уменьшают чувствительность оптического датчика. Кроме того, применение по существу двух измерительных и двух опорных каналов позволяет компенсировать температурные нестабильности световых излучателей и фотоприемников при измерении задымленности. Подобная компенсация температурных зависимостей дополнительно позволяет расширить рабочий температурный диапазон датчика.
Полезная модель поясняется условной схемой устройства заявленного точечного оптико-электронного дымового датчика.
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 первого генератора тока 2, второй - к первому управляющему входу второго генератора тока 3, а третий - к интерфейсному устройству 4, с помощью которого через шину подключения 5 осуществляется передача данных измерения на внешнее устройство 6 и производится получение внешнего электропитания. К входу микроконтроллера 1 подключен выход двухканального аналого-цифрового преобразователя 7, первый вход которого, в свою очередь, соединен с фотоприемником первого измерительного канала 8 через первый преобразователь ток-напряжение 9, а второй вход - с фотоприемником второго измерительного канала 10 через второй преобразователь ток-напряжение 11, который подключен к инвертирующему входу первого усилителя сигнала ошибки 12, к неинвертирующему входу которого подключен источник опорного напряжения 13. Выход первого усилителя сигнала ошибки 12 подключен ко второму управляющему входу второго генератора тока 3, выход которого соединен с светоизлучающим элементом первого измерительного канала 14. Выход первого преобразователя ток-напряжение 9 подключен к инвертирующему входу второго усилителя сигнала ошибки 15, к неинвертирующему входу которого подключен источник опорного напряжения 13. Выход второго усилителя сигнала ошибки 15 подключен ко второму управляющему входу первого генератора тока 2, выход которого соединен с светоизлучающим элементом второго измерительного канала 16. Светоизлучающий элемент 14 и фотоприемник 8 расположены в первом измерительном канале (волноводе) 17, а светоизлучающий элемент 16 и фотоприемник 10 - во втором 18. Указанные волноводы имеют общую стенку 19 с отверстиями 20 и 21, причем отверстие 20 обеспечивает оптическую связь между излучающим элементом 16 и фотоприемником 8, а отверстие 21 - между излучающим элементом 14 и фотоприемником 10. Волноводы 17 и 18 выполнены с возможностью попадания в них дыма, например, через прорези, отверстия или т.п.
Работа датчика осуществляется следующим способом.
Микроконтроллер приемного устройства 1 с заданной периодичностью дает разрешение на включение сначала первого генератора тока 2, а потом второго генератора тока 3, при этом одновременно с ними включаются светоизлучающий элемент 16 второго измерительного канала или светоизлучающий элемент 14 первого измерительного канала. В случае включения первого генератора тока 2 световой поток от светоизлучающего элемента 16, пройдя через отверстие 20, попадает на фотоприемник 8, реализуя один из опорных каналов, а генерируемый им при этом ток преобразуется в напряжение первым преобразователем ток-напряжение 9. С его выхода напряжение, пропорциональное мощности светового потока подается на второй усилитель сигнала ошибки 15, где этот сигнал сравнивается с порогом, поступающим от источника опорного напряжения 13. В зависимости от того, сигнал от фотоприемника больше или меньше опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки 15 формирует напряжение управления на изменение генератором тока генерируемого тока 2 на уменьшение или увеличение, соответственно. Таким образом, за счет работы замкнутой петли регулирования по сигналу фотоприемника 8, происходит стабилизация уровня мощности светового потока от светоизлучающего элемента 16 второго измерительного канала 18, соответствующая уровню порогового напряжения на входе усилителя сигнала ошибки 15.
Полученный стабильный по мощности излучения во втором измерительном канале световой поток, проходя через волновод 18, где происходит его фильтрация от отраженных лучей и увеличение суммарной мощности за счет сигналов переотражения от внутренних стенок волновода, попадает от светоизлучающего элемента 16 на фотоприемник второго измерительного канала 10, с выхода которого сгенерированный фототок преобразуется в напряжение во втором преобразователе ток-напряжение 11. Далее сигналы с выхода преобразователей ток напряжения 9 и 11 подвергаются оцифровке в аналого-цифровом преобразователе 7 и поступают в микроконтроллер 1 для математической обработки.
Аналогично, в случае включения второго генератора тока 3 световой поток от светоизлучающего элемента 14, пройдя через отверстие 21, попадает на фотоприемник 10, реализуя второй из опорных каналов, а генерируемый им при этом ток преобразуется в напряжение вторым преобразователем ток-напряжение 11. С его выхода напряжение, пропорциональное мощности светового потока подается на первый усилитель сигнала ошибки 12, где этот сигнал сравнивается с порогом, поступающим от источника опорного напряжения 13. В зависимости от того, сигнал от фотоприемника больше или меньше опорного напряжения, усилитель сигнала ошибки 12 формирует напряжение управления на изменение генератором тока генерируемого тока 3 на уменьшение или увеличение, соответственно. Таким образом, за счет работы замкнутой петли регулирования по сигналу фотоприемника 10, происходит стабилизация уровня мощности светового потока от светоизлучающего элемента 14 первого измерительного канала 17, соответствующая уровню порогового напряжения на входе усилителя сигнала ошибки 12.
Аналогично, полученный стабильный по мощности излучения в первом измерительном канале световой поток, проходя через волновод 17, где происходит его фильтрация от отраженных лучей и увеличение суммарной мощности за счет сигналов переотражения от внутренних стенок волновода, попадает от светоизлучающего элемента 14 на фотоприемник первого измерительного канала 8, с выхода которого сгенерированный фототок преобразуется в напряжение в первом преобразователе ток-напряжение 9. Далее сигналы с выхода преобразователей ток напряжения 9 и 11 подвергаются оцифровке в аналого-цифровом преобразователе 7 и поступают в микроконтроллер 1 для математической обработки.
Плотность оптической среды оценивается математически по величине относительного уменьшения уровня мощности светового потока одновременно в двух измерительных каналах при учете уровня сигнала в опорных каналах, при этом температурная нестабильность или физическая деградация параметров светоизлучающих элементов и фотоприемников не вносят дополнительной погрешности измерений.
Оптическая плотность среды ρ, дБ/м при этом рассчитывается по формуле:
l - длина зоны измерения, м;
1
U - напряжение, пропорциональное потоку излучения в первом измерительном канале, B;
2
U - напряжение, пропорциональное потоку излучения во втором измерительном канале, B;
3
U - напряжение, пропорциональное потоку излучения в первом опорном канале, B;
4
U - напряжение, пропорциональное потоку излучения во втором опорном канале, B;
1
2
k=k*k - коэффициент, характеризующий относительную величину ответвления энергии светового потока через отверстия в соединительной стенке волноводов, где:
1
k - коэффициент, характеризующий относительную величину ответвления энергии светового потока через первое отверстие в соединительной стенке волноводов;
2
k - коэффициент, характеризующий относительную величину ответвления энергии светового потока через второе отверстие в соединительной стенке волноводов.
Результаты измерения через интерфейсное устройство 4 и шину подключения 5 передаются на внешнее устройство 6.
В процессе эксплуатации датчика происходит загрязнение или деградация параметров элементов открытой оптической системы измерительных каналов, состоящей из светоизлучающего элементов 14, 16 фотоприемников измерительных каналов 8 и 10 волноводов 17, 18 и отверстий в соединительной стенке волноводов 20, 21. При этом значение коэффициента k, характеризующего относительную величину ответвления энергии светового потока через отверстия в соединительной стенке, волноводов может измениться, что вызовет неправильные результаты измерения в соответствии с (1).
1
2
3
4
Перекалибровка, по существу, заключается в автоматической корректировке константы k=(U*U)/(U*U) в отсутствии задымленности, первоначальное значение которой фиксируется, например, при изготовлении датчика и записывается в энергонезависимую память процессора. В дальнейшем, в процессе работы, текущее значение k сравнивается со значением, занесенным в память и, в случае его отличия вследствие перечисленных выше причин, формируется сигнал о запросе на перекалибровку, который через интерфейсное устройство 4 и шину подключения 5 передается на внешнее устройство 6. В случае отсутствия задымления, внешнее устройство 6 передает обратно команду в микроконтроллер 1 на осуществление перекалибровки, при этом новое значение k фиксируется и заносится в энергонезависимую память вместо предыдущего значения. После данной операции расчет оптической плотности осуществляется согласно (1) с использованием обновленного значения k.
Результаты измерения через интерфейсное устройство 4 и шину подключения 5 передаются на внешнее устройство 6 и, далее, цикл перекалибровки повторяется.
Конструкция заявленного точечного оптико-электронного дымового датчика позволяет повысить его чувствительности, уменьшив, тем самым, время обнаружения пожара, получить высокую температурную стабильность характеристик чувствительности и упростить конструкцию в целом, а также постоянно автоматически контролировать работоспособность противопожарной системы с гарантированным поддержанием требуемого порога срабатывания независимо от дестабилизирующих внешних факторов.