ДАТЧИК ЧИСТОТЫ СТЕКЛА

Полезная модель относится к измерительной аппаратуре, а именно к датчикам чистоты стекла, используемых в различных оптических устройствах.
Известен датчик чистоты стекла, содержащий зеркальный отражатель, расположенный вне корпуса оптического устройства. Датчики чистоты стекла такого типа применяются в следующих оптических датчиках пламени:
- производитель ADTtyco, модель FLAMEVision http://www.secuteck.ru/articles2/firesec/unikalnye-pozharnye-izveschateli/
- производитель DET-TRONICS, модель Х3301 MULTISPECTRUM INFRARED http://www.detronics.com/utcfs/Templates/Pages/Template-53/0,8062,pageId%3D2603%26siteId%3D462,00.html
- производитель ООО "Синкросс", модель ИП 329/330 http://www.sinkross.ru/static/ip329.html
Схема такого датчика в составе оптического датчика пламени, представлена на фиг.1.
Позициями на фиг.1 обозначены:
1 - излучатель оптического сигнала,
2 - приемник оптического сигнала,
3 - стекло оптического устройства,
4 - корпус оптического устройства,
5 - зеркальный отражатель,
6 - оптический сигнал излучателя в виде светового потока,
7 - световой поток, отраженный от внутренней поверхности стекла,
8 - световой поток, отраженный от наружной поверхности стекла,
9 - световой поток, отраженный от отражателя (полезный сигнал),
10 - световой поток, прошедший через стекло.
Принцип работы прототипа основан на регистрации излучения, отраженного от зеркального отражателя. Зеркальный отражатель располагают снаружи на корпусе оптического устройства. В качестве излучателя в прототипе используют миниатюрную лампу накаливания, светодиод. Световой поток от излучателя проходит через стекло оптического прибора и отражается от поверхности зеркального отражателя. Отраженный световой поток является полезным сигналом приемника опорного сигнала. Отражение от внутренней и наружной поверхностей стекла значительно слабее, чем от отражателя. Вследствие этого отражение от стекла не оказывает влияния на результат обработки принятого сигнала. При загрязнении внешней поверхности стекла энергия отраженного от зеркального отражателя светового потока ослабляется.
Основной недостаток такого метода - расположение зеркального отражателя за пределами корпуса оптического устройства. Расположенный вне корпуса зеркальный отражатель технически трудно обогреть. На поверхности зеркального отражателя могут осаждаться атмосферные осадки, что приводит к загрязнению поверхности. Расположенные внутри производственных помещений датчики могут быть подвержены осаждению на них продуктов производства. Зеркальный отражатель, как правило, изготовлен из металла, вследствие чего возможно окисление поверхности зеркала из-за низкого качества материала. Все перечисленные факторы могут вызвать ложный сигнал о загрязнении стекла. Зеркало также может ограничивать зону видимости оптического датчика.
Задачей заявляемой полезной модели является создание датчика чистоты стекла, неподверженного воздействию окружающей среды и производственных процессов.
Технический результат заявляемой полезной модели заключается в создании конструкции не содержащей внешнего зеркала, и, как следствие, в отсутствии влияния окружающей среды на измерительные элементы датчика, в отсутствии ограничения зоны видимости, и в повышении достоверности определения загрязнения стекла, т.к. в формировании полезного сигнала датчика участвует только отражательная способность (зависящая от загрязнения) стекла.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый датчик чистоты стекла содержит излучатель оптического сигнала, приемник оптического сигнала, оптический фильтр, блок генерации оптического сигнала, подающий сигнал на излучатель по гармоническому закону, и блок вычисления, принимающий сигнал с приемника и выполняющий задачу по определению энергии принятого сигнала и сравнения его с заранее определенной функциональной зависимостью, соответствующей степени загрязнения стекла. Также, заявленный результат достигается тем, что в конструкции заявляемого датчика чистоты стекла отсутствует зеркальный отражатель, расположенный вне корпуса оптического прибора.
На фиг.2 представлена схема заявляемого датчика чистоты стекла, интегрированного в оптический датчик пламени.
Позициями на чертеже указаны:
1 - излучатель оптического сигнала,
2 - приемник оптического сигнала со встроенным оптическим фильтром,
3 - стекло оптического устройства,
4 - корпус оптического устройства,
5 - оптический сигнал излучателя в виде светового потока,
6 - световой поток, отраженный от внутренней поверхности стекла,
7 - световой поток, отраженный от наружной поверхности стекла (полезный сигнал),
8 - световой поток, прошедший через стекло,
9 - генератор оптического сигнала,
10 - блок вычисления.
Полезная модель представляет собой датчик, расположенный в корпусе 4 оптического прибора. Конструкция датчика включает в себя генератор оптического сигнала 9, излучатель оптического сигнала 1, приемник оптического сигнала со встроенным оптическим фильтром 2, блок вычисления 10. В качестве излучателя может быть использована миниатюрная лампа накаливания, ИК-излучатель, ИК-светодиод и т.д. Приемник состоит из чувствительного элемента со встроенным оптическим фильтром в ИК-диапазоне. В качестве чувствительного элемента может применяться, например, пироэлектрический детектор, фотодиод, термопара.
Работа датчика осуществляется следующим образом. Генератор оптического сигнала передает на излучатель по гармоническому закону опорный сигнал заданный интервал времени. Световой поток, генерируемый излучателем, отражается от внутренней и от наружной поверхностей стекла. Приемник принимает отраженный оптический сигнал и в ходе дальнейшей его обработки в блоке вычисления определяется энергия принятого сигнала. При загрязнении наружной поверхности стекла энергия отраженного светового потока возрастает. Сравнение энергии полученного сигнала с заранее определенной функциональной зависимостью энергии для стекла позволяет определить степень загрязнения поверхности стекла. Процесс загрязнения стекла происходит медленно, что позволяет выполнять проверку через значительные интервалы времени. А т.к. генератор оптического сигнала работает только во течение проверки чистоты стекла, то в свободное от проверок время приемник датчика чистоты стекла может быть использован для других задач.
В заявляемом датчике отсутствует отражатель, вследствие этого требуется более высокая чувствительность датчика. С целью повышения чувствительности датчика была определена одна из возможных математических моделей для точной интегральной оценки сигнала. Работа передатчика и приемника синхронизирована по времени. Передатчик излучает опорный сигнал установленной частоты в течение определенного интервала времени. В течение времени работы передатчика приемник накапливает полученный сигнал в выборки определенной длительности. Полезный сигнал рассматривается как случайны процесс, а его выборки - как реализации случайного процесса. Для оценки энергии реализации по оси частот выполняется расчет спектральной плотности. Физическим смыслом этой величины является энергия реализации. Т.к. передатчик работает на установленной частоте, то вся энергия реализации будет сконцентрирована в единственной точке частотного ряда спектральной плотности. Значение в этой точке определяет всю энергию полученного сигнала и выражается действительным числом. Для более точной оценки описанный расчет выполняется для нескольких реализации. Результат усредняется и сравнивается с заранее определенной функциональной зависимостью спектральной плотности сигнала от степени загрязнения стекла. Практическое значение чаще всего имеет одна точка этой функциональной зависимости: значение сигнала меньше этого значения соответствует допустимомой степени загрязнения стекла, а выше - требуется процедура очистки стекла.
Один из возможных вариантов спектрального представления сигнала в виде спектральной плотности базируется на преобразовании Фурье:
Для построения функции спектральной плотности выполняется отбрасывание некоторых параметров спектра, а именно спектра фаз. Функция  характеризует, таким образом, распределение энергии реализации по оси частот и называется спектральной плотностью реализации.
Пожарные извещатели использующие в инфракрасном диапазоне, в качестве чувствительного элемента пироэлектрические детекторы, термопары, фотодиоды со встроенными оптическими фильтрами инфракрасного диапазона, и имеющие необходимость контроля чистоты стекла, для реализации этой функции могут быть оснащены излучателем, блоком генерации, блоком вычисления, а в качестве приемника датчика чистоты стекла может использоваться приемник датчика пламени. В этом случае, контроль чистоты стекла и определение пламени выполняется в одном инфракрасном диапазоне, что позволяет определить чистоту стекла для рабочего диапазона. Если в пожарном извещателе инфракрасного диапазона используется несколько приемников разных ИК-диапазонов, то совокупность каждого из этих приемников с излучателем, блоком генерации, блоком вычисления образует датчик чистоты стекла для ИК-диапазона, к которому чувствителен соответствующий приемник.