СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ВЗРЫВА ГАЗА МЕТАНА И УГОЛЬНОЙ ПЫЛИ НА НАЧАЛЬНОЙ СТАДИИ
METHOD OF METHANE AND CARBON DUST EXPLOSION DETECTION AT INITIAL STAGE

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при разработке устройств для обнаружения начальной стадии воспламенения  и угольной пыли на предприятиях горной, нефтегазовой промышленности.
В настоящее время используются два основополагающих способа идентификации пламени на фоне других источников излучения в контролируемом объеме. Это способы частотной и спектральной селекции. При частотном способе определяющий признак - наличие низкочастотных колебаний интенсивности и излучения контролируемого источника. При спектральном способе определяющий признак - наличие в спектре излучения спектральных полос, характерных для продуктов горения (паров воды и углекислого газа). Одним из таких способов известен способ регистрации пламени (патент US №5850182A, приоритет 15.12.1998 г, заявитель Detector Electronics Corporation, USA), в котором регистрируется изучение пламени в двух спектральных участках и осуществляется частотный анализ полученных сигналов от колеблющегося пламени и мерцающих оптических помех, сравниваются амплитуды, фазы и частоты колебаний, фиксируется наличие или отсутствие регулярных колебаний, оценивается их динамика во времени и делается заключение об истинности или ложности сигнала о пожаре.
Недостатком данного способа является низкая оперативность и достоверность обнаружения возникновения пламени, поскольку не учитывает других возможных спектров излучения пламени и фоновых оптических помех, приводящих к ошибочным выводам по анализу регистрируемых излучений. Частота колебаний пламени зависит от размеров очага пожара и при достижении определенных площадей частота колебаний становится меньше 0,1 Гц. Амплитуда нерегулярных колебаний ложного источника может многократно превосходить сигнал от пламени. Нагретые вращающиеся движущиеся объекты могут излучать в «мерцающем» режиме и в спектральном диапазоне, совпадающем со спектральным диапазоном пламени.
Известен способ спектральной селекции («Dual channel multi-spectrum infrared optical fire and explosion detection system», патент США №5612676, опубл. 18.03.1997), по которому производится регистрация инфракрасного излучения пламени и взрыва в нескольких диапазонах. Основной канал регистрирует излучение пламени и взрыва в двух спектральных участках, а вспомогательный канал регистрирует излучение в трех узких спектральных участках, соответствующих характерным спектрам излучения оптических помех. Схема выделения низкочастотных колебаний излучений и схема логического сравнения выходных сигналов указанных каналов и их низкочастотных колебаний формирует сигнала о пламени. В этом двухканальном датчике основной канал имеет два спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,9 мкм и 4,4 мкм, а вспомогательный (фоновый) канал - три спектральных диапазона с максимумами чувствительности на 2,2 мкм, 3,8 мкм и 5,6 мкм. Основной канал реагирует преимущественно на пламя, а вспомогательный - преимущественно на оптические помехи. Сравнение сигналов каналов позволяет выявить наличие в поле зрения датчика очага пламени. Указанные выше спектральные полосы формируют с помощью узкополосных интерференционных фильтров. Таким образом, одновременно осуществляют спектральный анализ попадающего на детектор внешнего излучения в пяти спектральных диапазонах.
Недостаток способа заключается в использовании принципа частотной селекции, который снижает оперативность обнаружения пламени или взрыва из-за низкой частоты селекции. Жесткое задание каждого из спектральных рабочих диапазонов каналов не позволяет эффективно адаптировать предлагаемый детектор к разнообразию возможных типов очагов пламени и помех. Недостаточная надежность. Основные трудности известных решений обусловлены тем, что в качестве, по крайней мере, одного из идентифицирующих принципов пламени принимается принцип частотной селекции. Частота колебаний пламени зависит от размеров очага пожара и при достижении определенных площадей частота колебаний становится меньше 0,1 Гц. Амплитуда нерегулярных колебаний ложного источника может многократно превосходить сигнал от пламени. Нагретые вращающиеся движущиеся объекты могутизлучать в «мерцающем» режиме и в спектральном диапазоне, совпадающем со спектральным диапазоном пламени.
В качестве прототипа выбран способ спектральной селекции в варианте, не связанном с необходимостью дополнения его способом частотной селекции [Горбунов Н., Дийков Л., Медведев Ф., Анисимова Н. Оптоэлектронные датчики пламени. Компоненты и технологии. 2007. №1]. На основе использования различного состава полупроводникового  и спектра пропускания интерференционных фильтров, входящих в состав приемника излучения, которые соответствуют спектру излучения очага пожара, регистрируют излучение в спектральных участках 4,2-4,7 мкм; 1,6-3,2 мкм; 2,8-3,2 мкм; 3,2-4,2 мкм; 1,6-2,6 мкм; 1,0-1,4 мкм. Сопоставляя сигналы, поступающие от каждого из фоточувствительных элементов с соответствующей спектральной характеристикой, определяют, является регистрируемое излучение следствием возникшего возгорания или это оптическая помеха.
Недостатком этого способа является низкая помехозащищенность от внешних оптических помех (например, от теплового излучения мощных прожекторов, имеющих широкий непрерывный спектр излучения, перекрывающий рабочий диапазон датчиков).
Технический результат - повышение помехозащищенности и достоверности обнаружения пламени обеспечивается за счет обнаружения в тепловом свечении пламени линейчатого спектра излучения молекул углекислого газа с помощью использования высокоэффективного селективного спектрального светофильтра, которым служит кювета с углекислым газом.
Задачей технического решения является повышение помехозащищенности способа дистанционного оперативного обнаружения воспламенения метана и угольной пыли на начальной стадии от других источников излучения.
Поставленная задача решается благодаря тому, что, как и в прототипе, выделяется излучение в спектральном участке тепловогоизлучения продуктов горения (углекислого газа). Но, в отличие от прототипа, излучение выделенного спектрального участка дополнительно разделяется на два канала. В одном канале излучение от источника с тепловым излучением абсолютно черного тела проходит через кювету с углекислым газом и поступает на первый фотоприемник, а в другом канале излучение от данного источника проходит через нейтральный ослабитель и поступает на второй фотоприемник. Ослабитель используется для начальной калибровки прибора. Калибровка проводится при условии отсутствия углекислого газа между данным источником и фотоприемниками. Ослабитель подбирается таким образом, чтобы выровнять показания значений мощности излучения на обоих фотоприемниках.
О возникновении пламени судят по превышению сигнала фотоприемника в канале с нейтральным ослабителем по сравнению с сигналом фотоприемника в канале с кюветой.
2
2
2
Сущность изобретения состоит в регистрации излучения в спектральной области излучения продуктов трения метана и угольной пыли (углекислого газа), в отличие от известного принимаемое излучение в спектральном участке полосы поглощения CO дополнительно делится на два канала. В первом канале оно регистрируется одним фотоприемником, а во втором канале излучение проходит через высокоэффективный селективный спектральный светофильтр, которым служит кювета с углекислым газом, и регистрируется вторым фотоприемником. При отсутствии содержания углекислого газа между источником непрерывного излучения (осветительная лампа) и датчиком выходные сигналы фотоприемников выравниваются с помощью регулируемой диафрагмы в одном из каналов, или изменением коэффициента усиления сигналов фотоприемников, или в процессе электронной обработки выходных сигналов фотоприемников процессором во время настройки прибора на основе предлагаемого способа. Ослабление регистрируемого излучения от источника (черного тела) непрерывного излучения углекислым газом, осуществляемое в основном в линиях поглощения CO в одном канале, компенсируется нейтральным ослабителем излучения равномерно во всем регистрируемым спектральном участке во втором канале. Свечение пламени происходит, в основном, в линиях поглощения горячих газов продуктов горения. Как известно, каждая молекула имеет свой набор спектральных линий, характеризующий данный газ. Излучение молекул CO в пламени происходит на частотах, совпадающих с максимумом поглощения молекул углекислого газа в кювете, что приводит к существенному увеличению ослабления регистрируемого излучения пламени, содержащего молекулы углекислого газа по сравнению ослабления излучения равномерно по всему спектральному участку во втором канале. Другие газы в пламени, линии излучения которых не совпадают с линиями углекислого газа, не оказывают существенного влияния на разбаланс двух каналов. Таким образом, превышение уровня сигнала в канале с нейтральным ослабителем по сравнению с уровнем сигнала в канале с кюветой сигнализирует о возникновении пламени. Выделение свечения пламени на уровне спектрального анализа свечения углекислого газа значительно повышает помехозащищенность и достоверность идентификации пламени на фоне световых помех.