Детектор запыленности газообразной среды
Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к обнаружителям дыма, и может быть использовано для обнаружения возгорании на ранней стадии при появлении дымовых аэрозолей. Техническим результатом является повышение эффективности работы и снижение стоимости производства. Для достижения технического результата детектор запыленности газообразной среды, содержащий источник излучения в виде светодиода, приемник излучения в виде фотодиода, первую и вторую поглощающие камеры, снабжен первым и вторым коллиматорами, помещенными перед светодиодом и фотодиодом соответственно на расстоянии 5-7 мм от каждого, операционный усилитель, включенный в масштабирующем режиме, и индикатор. Вход операционного усилителя связан с выходом фотодиода, а выход является линейным и соединен с входом индикатора. Индикатор выполняют стрелочным, или в виде цифрового прибора, или в виде жидкокристаллического дисплея, при этом светодиод, первый коллиматор и первая поглощающая камера расположены на первой оптической оси, а фотодиод и второй коллиматор и вторая поглощающая камера - на второй оптической оси. 10 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к обнаружителям дыма, и может быть использовано для обнаружения возгорании на ранней стадии при появлении дымовых аэрозолей. Также она может быть использована для определения уровня запыленности в цехах точного приборостроения, особенно в микроэлектронной промышленности. В общем данный детектор может использоваться для анализа оптических свойств жидкостей и газовых сред.
Известен сигнализатор дыма, устанавливаемый в пожарных извещателях ИП-212-41М, выпускаемый согласно техническим условиям ТУ 4371-005-12215496-00, содержащий внутри корпуса, установленного на основании, отделяемый от корпуса оптический модуль, состоящий из светоизлучателя, светоприемника, измерительной камеры, выполненной в виде цилиндрического объема, ограниченного боковыми лабиринтными пластинами, расположенными внутри цилиндрического объема по периферии его оснований с возможностью протекания потоков дыма с внешней стороны. Многочисленные периферийные лабиринтные пластины размещены в виде вложенных друг в друга, близких к прямым, двухгранных углов между основанием и крышкой измерительной камеры примерно с интервалом 12°. Разъемные по вертикали установочные места выполнены для светоизлучателя с цельным отверстием, а для светоприемника - сборным многоэлементным. Двухгранная пластина, установленная между светоизлучателем и светоприемником с возможностью пересечения их оптических осей, связана с одной из периферийных лабиринтных пластин и расположена перед секторами основания и крышки измерительной камеры расходящимися гребешковыми лучами.
Однако для указанного сигнализатора дыма характерны большие габариты измерительной камеры, размерами которой определяются и габариты корпуса сигнализатора дыма, сложность изготовления форм для литья за счет большого количества тонких изогнутых лабиринтных пластин и установочных мест для светоизлучателя и светоприемника, требующих дополнительных приспособлений при литье - "знаки", а также имеющийся высокий уровень паразитной "засветки" светоприемника от внутреннего и внешнего излучений. Установочные места для светоизлучателя и светоприемника расположены таким образом, что область для измерения частиц дыма смещена от центра камеры, что исключает уменьшение диаметра оснований измерительной камеры без ухудшения основного параметра чувствительности камеры, а выполнением установочных мест для светоизлучателя и светоприемника несколькими отстоящими друг от друга пластинами обусловлена дополнительная паразитная засветка светоприемника, что существенно снижает чувствительность измерительной камеры. Диафрагмы светоизлучателя и светоприемника велики, поэтому первоначальный уровень сигнала светоизлучателя при отсутствии дыма повышается, тем самым маскируется полезный сигнал при появлении дыма.
Также известен сигнализатор дыма, устанавливаемый в пожарных извещателях ИП-212-40, выпускаемых согласно техническим условиям ТУ 4371-001-51294813-00, который содержит внутри корпуса, установленного на основании, отделяемый от корпуса оптический модуль, состоящий из светоизлучателя, светоприемника, измерительной камеры, выполненной в виде цилиндрического объема, ограниченного боковыми лабиринтными пластинами, расположенными внутри цилиндрического объема по периферии его оснований с возможностью протекания потоков дыма с внешней стороны. Многочисленные периферийные лабиринтные пластины в виде прямоугольных пластин, размещенные на крышке измерительной камеры под острым углом к ее боковой поверхности, сопряжены с соответствующими вложенными друг в друга двухгранными углами более 90° основаниями измерительной камеры, а двухгранная лабиринтная пластина между светоизлучателем и светоприемником, на которой крепится крышка измерительной камеры, размещена без пересечения одной гранью параллельно оптической оси светоизлучателя, а другой - перпендикулярно оптической оси светоприемника. При этом крышка измерительной камеры несколько больше основания и торцы установочных мест светоизлучателя, светоприемника и прямоугольных периферийных лабиринтных пластин выполнены с выступами.
Однако при сравнительно малых размерах основания и крышки измерительной камеры ее высота гораздо выше известных, поэтому габариты корпуса велики, а малая плоскость рифления основания и крышки измерительной камеры негативно сказывается на ее чувствительности из-за повышенного уровня начального сигнала. Кроме того, при всей многочисленности лабиринтных пластин измерительная камера имеет отдельные сквозные боковые просветы, что при высокой интенсивности внешнего излучения приводит к потере чувствительности измерительной камеры, и сигнализатор дыма становится не работоспособным. Размещение двухгранной лабиринтной пластины между светоизлучателем и светоприемником не исключает прямого попадания излучения на светоприемник, а прямоугольные лабиринтные пластины, размещенные на крышке измерительной камеры, не достаточно плотно прилегают к ее основанию, тем самым увеличивая паразитную "засветку" внутри измерительной камеры и искажая параметры сигнализатора дыма. При уменьшении габаритов измерительной камеры с сокращением ее линейных размеров между светоизлучателем, светоприемником и лабиринтными пластинами происходит возрастание фонового излучения от светоизлучателя и, как следствие, повышение начального уровня сигнала светоприемника.
Известен патент РФ №2258259, который содержит корпус, установленный на основании, отделяемый от корпуса оптический модуль, состоящий из светоизлучателя, светоприемника, измерительной камеры, выполненной в виде цилиндрического объема, ограниченного боковыми лабиринтными пластинами. Измерительная камера оборудована средствами, повышающими чувствительность к малым концентрациям задымленности (прототип).
К недостаткам следует отнести сложность конструкции, отсюда недостаточная надежность, а главное - высокая стоимость, что существенно ограничивает его востребованность в основном ответственными помещениями: музеи, галереи, международные выставки, склады боеприпасов и ГСМ, АЭС, штабы крупных войсковых соединений, крупные корабли, правительственные объекты и т.д.
Технической задачей полезной модели является оптимизация основного экономического постулата «стоимость-эффективность».
Для решения поставленной задачи предлагается детектор запыленности газообразной среды, содержащий источник излучения в виде светодиода, приемник излучения в виде фотодиода, первую и вторую поглощающие камеры, отличающийся тем, что в него введены первый и второй коллиматоры, помещенные перед светодиодом и фотодиодом соответственно на расстоянии 5-7 мм от каждого, операционный усилитель, включенный в масштабирующем режиме, и индикатор, причем вход операционного усилителя связан с входом индикатора, который может быть выполнен стрелочным, или в виде цифрового прибора или в виде жидкокристаллического дисплея, при этом светодиод, первый коллиматор и первая поглощающая камера расположены на первой оптической оси, а фотодиод и второй коллиматор и вторая поглощающая камера - на второй оптической оси; оптические оси расположены под углом 9-10° в горизонтальной и вертикальной плоскостях, относительно осей симметрии; в него введен компаратор и узел тревожной сигнализации, причем сигнальный вход компаратора подключен к линейному выходу операционного усилителя, а выход компаратора, являющийся релейным, соединен со входом узла тревожной сигнализации, выполненным в виде светового и/или звукового оповещения или в виде радиоканала или канала последовательного кода типа RS-232, связанного с центральным пультом; первый и второй коллиматоры расположены строго перпендикулярно первой и второй оптическим осям; каждый коллиматор представляет собой квадрат со сторонами 12×12 мм, выполненный из непрозрачной пластмассы с прямоугольными отверстиями размерами (5÷7)×(1÷2) мм, расположенными большими размерами в вертикальной плоскости; телесные углы источника и приемника излучения выполнены равными между собой и лежат в пределах 10-12° с возможностью регулировки путем изменения положения коллиматоров в пределах 5-25° по оптическим осям; обе поглощающие камеры имеют форму правильных или усеченных конусов размерами: диаметр - 12 мм, длиной - 15 мм и выполнены из абсолютно черного материала или из любого материала, покрашенного изнутри в черный цвет; место пересечения оптических осей образует рабочую зону, размеры которой прямо пропорциональны величине возможных телесных углов источника и приемника излучений, причем величина рабочей зоны выбирается из условий необходимой чувствительности детектора и может регулироваться в широких пределах; первая и вторая поглощающие камеры имеют по всей внутренней поверхности насечки в форме зуба высотой 11,5 мм; длина каждой из оптических осей от поглощающих камер до источника излучения и приемника излучения соответственно составляет 50±10 мм; а также тем, что приемник излучения может быть выполнен в виде фототранзистора или фоторезистора.
На фиг.1 показана структурная схема детектора запыленности газообразной среды, на фиг.2 - схема пространственного расположения оптических элементов схемы в вертикальной и горизонтальной плоскостях, на которых показано: 1 - излучатель, 2, 3 - первый и второй коллиматоры соответственно, 4, 5 - первая и вторая поглощающие камеры соответственно, 6 - рабочая зона детектора, 7 - фотодиод (светоприемник), 8 - операционный усилитель, 9 - индикатор, 10 - компаратор, 11 - узел тревожной сигнализации, 12 - источник питания, 13 - резервный аккумулятор или батарея, первая и вторая оптические оси.
Детектор имеет следующие соединения: выход светодиода 1 первой оптической осью через первый коллиматор 2 связан с первой поглощающей камерой 5, вторая поглощающая камера 4 второй оптической осью через второй коллиматор 3 связана с входом фотодиода 7, пересечение первой и второй оптических осей образуют рабочую зону 6, выход фотодиода 7 через ОУ 8 линейным выходом связан с индикатором 9, а через компаратор 10 релейным выходом - с узлом тревожной сигнализации 11, источник питания 12 входом связан с однофазной сетью ˜220 В 50 Гц, а батарея или аккумулятор 13 являются резервными источниками питания (цепи питания детектора условно не показаны). Корпус детектора и крепление его элементов условно не показаны.
Элементы детектора представляют собой и могут быть выполнены: фотодиод 7 типа ФД263-1, ФД256 и др., см справочник «Оптоэлектронные приборы», т.3, М., РадиоСофт, 2000 г., излучающий светодиод 1, например L-53F3, см. там же, коллиматоры 1 и 3 с поглощающими камерами 4 и 5 - собственного изготовления, операционный усилитель 8 на ИМС 140 УД6, см. справочник «Интегральные микросхемы», т.1, M., РадиоСофт, 2001 г., стр.410; компаратор 10 на ИМС 521 СА1 там же, т.4, стр.123; источник питания 12 собственного изготовления, резервный источник питания 13 может быть выполнен на двух батарейках типа «Крона» или «Корунд» или двух аккумуляторах, обеспечивающих питание 9 В; индикатор 9 может быть: стрелочный прибор, цифровой или жидкокристаллический индикатор; тревожная сигнализация 11 может быть: звуковая и/или световая, или по радиоканалу связана с центральным пультом, так же может быть с ним связана последовательным кодом, например RS-232.
Отличительные особенности:
- отсутствие линз;
- оптические оси излучателя и приемника находятся на разных прямых;
- излучение фокусируется в первой поглощающей камере диафрагмы;
- изображение чувствительного элемента проецируется во вторую поглощающую камеру диафрагмы;
- регистрируется малоугловое рассеяние.
Для чего производится:
- регистрация малоуглового рассеянного излучения для уменьшения влияния размеров и цвета частиц (степени черноты);
- фокусирование излучения в первую поглощающую камеру уменьшает (исключает) появление рассеянного излучения от излучающего элемента, тем самым позволяет повысить чувствительность оптического тракта;
- проецирование изображения чувствительного элемента во вторую поглощающую камеру и применение коллиматора уменьшает влияние пыли на рабочие элементы (увеличение времени работы между очисткой от пыли).
На чертеже не показаны диафрагмы, защищающие излучатель 1 от пыли, а чувствительный элемент 7 от воздействия внешней засветки. Чувствительный 7 и излучающий 1 элементы могут быть составными, выполненными с использованием коллиматоров 2 и 3, либо выполненные единым модулем.
С помощью данного устройства по величине рассеянного излучения можно регистрировать наличие (концентрацию) частиц (пыли, дыма, аэрозоли и т.д.) в оптической среде (газообразной или жидкой) в том случае, если оптические параметры частиц (коэффициент преломления, коэффициент отражения или коэффициент поглощения) отличаются от оптических параметров среды.
Оптическое излучение от излучающего элемента 1 собирается коллиматором 2 и фокусируется на диафрагму поглощающей камеры 5, выполненную в виде полого конуса (пирамиды), представляющую собой один из вариантов «черного» тела. Конструкция позволяет исключить или существенно уменьшить появление отраженного от элементов изделия излучения и попадание его на чувствительный элемент 7 рабочего излучения, что позволит понизить порог чувствительности устройства, увеличить динамический диапазон работы и уменьшить влияние осевшей на элементы конструкции пыли.
Проецирование изображения чувствительного элемента 7 в поглощающую камеру 4, также выполненную в виде полого конуса, уменьшает влияние пыли, оседающей на оптические элементы (увеличение времени работы устройства, не требующего профилактической очистки от пыли), защищает от влияния внешней (фоновой) освещенности.
При отсутствии рассеивающих частиц в зоне регистрации 6 на чувствительный элемент 7 рабочее излучение не попадает, сигнал с чувствительного элемента 7 равен нулю (возможно наличие паразитного сигнала от рассеянного излучения, вызванного наличием пыли осевшей на элементы детектора). Появление частиц в зоне регистрации 6 приведет к рассеянию рабочего излучения и попаданию его на чувствительный элемент 7.
Замена оптических линз на коллиматоры 2 и 3 позволяет упростить конструкцию, а следовательно, и удешевить, т.к. коллиматоры имеют более простую конструкцию по сравнению с линзами. Далее, в эксплуатации линзы нужно периодически очищать от осевшей на них пыли, а коллиматоры этого не требуют, регулировка излучающего и принимающего телесных углов производится простым передвижением коллиматоров по оптическим осям. Оптические линзы требуют точной установки, даже юстировки. Количество детекторов при серийном выпуске составляет тысячи в месяц, поэтому налицо выполнение основного производственного постулата: «стоимость-эффективность».
Выход фотодиода 7 через ОУ 8 связан с индикатором 9, который количественно оценивает запыленность, а через компаратор 10 оцениваем качественно, то есть релейно, предупреждая, что запыленность выше нормы и выдается тревожный сигнал 11: световой, звуковой или по радиоканалу, или по последовательному интерфейсу RS-232С. Такое построение схемы очень удобно, т.к. позволяет наблюдать динамику развития запыленности (задымленности) и заранее, не ожидая последней стадии (сильного возгорания), принять надлежащие меры.
Дополнительно заметим, что первая и вторая оптические оси расположены под углом 9-10° в горизонтальной и вертикальной плоскостях относительно осей симметрии. Первый и второй коллиматоры расположены строго перпендикулярно первой и второй оптическим осям. Эти выбранные значения градусов и условия необходимы для повышения общей чувствительности детектора.
Первый и второй коллиматоры представляют собой квадрат со сторонами 12×12 мм и выполнены из непрозрачной пластмассы с прямоугольными отверстиями размером (5÷7)×(1÷2) мм, расположенными большими размерами в вертикальной плоскости. Это необходимо из двух условий: минимальных размеров детектора и также из достаточности чувствительности. Далее, телесные углы источника и приемника выполняются равными между собой и могут в процессе настройки регулироваться в пределах 5-25° по оптическим осям для обеспечения опять же необходимой чувствительности, а самое главное, во избежания ложных срабатываний. Обе поглощающие камеры имеют форму правильных или усеченных конусов с размерами: ⊘ 12 мм, длина 15 мм с небольшими вариациями, размеры выбраны эмпирически из минимальных условий.
Также следует отметить, что место пересечения оптических осей образует рабочую зону, размеры которой прямо пропорциональны величине выбранных телесных углов источника и приемника излучений и выбирается из условий необходимой чувствительности. Поглощающие камеры имеют внутри насечки в форме зуба высотой до 11,5 мм, что повышает эксплуатационные свойства камер.
Еще раз заметим, что некоторые размеры выбраны эмпирическим путем и не имеют (пока) строгого математического или научного обоснования.
1. Детектор запыленности газообразной среды, содержащий источник излучения в виде светодиода, приемник излучения в виде фотодиода, первую и вторую поглощающие камеры, отличающийся тем, что в него введены первый и второй коллиматоры, помещенные перед светодиодом и фотодиодом соответственно на расстоянии 5-7 мм от каждого, операционный усилитель, включенный в масштабирующем режиме, и индикатор, причем вход операционного усилителя связан с выходом фотодиода, а выход является линейными и соединен с входом индикатора, который выполнен стрелочным, или в виде цифрового прибора или в виде жидкокристаллического дисплея, при этом светодиод, первый коллиматор и первая поглощающая камера расположены на первой оптической оси, а фотодиод и второй коллиматор и вторая поглощающая камера - на второй оптической оси.
2. Детектор по п.1, отличающийся тем, что оптические оси расположены под углом 9-10° в горизонтальной и вертикальной плоскостях, относительно осей симметрии.
3. Детектор по п.1, отличающийся тем, что в него введен компаратор и узел тревожной сигнализации, причем сигнальный вход компаратора подключен к линейному выходу операционного усилителя, а выход компаратора, являющийся релейным, соединен со входом узла тревожной сигнализации, выполненном в виде светового и/или звукового оповещения или в виде радиоканала или канала последовательного кода типа RS-232, связанного с центральным пультом.
4. Детектор по п.1, отличающийся тем, что первый и второй коллиматоры расположены строго перпендикулярно первой и второй оптическим осям.
5. Детектор по п.1, отличающийся тем, что каждый коллиматор представляет собой квадрат со сторонами 12×12 мм, выполненный из непрозрачной пластмассы с прямоугольными отверстиями размерами (5÷7)·(1÷2) мм, расположенными большими размерами в вертикальной плоскости.
6. Детектор по п.1, отличающийся тем, что телесные углы источника и приемника излучения выполнены равными между собой и лежат в пределах 10-12° с возможностью регулировки путем изменения положения коллиматоров в пределах 5-25° по оптическим осям.
7. Детектор по п.1, отличающийся тем, что обе поглощающие камеры имеют форму правильных или усеченных конусов размерами: диаметр - 12 мм, длинной - 15 мм и выполнены из абсолютно черного материала или из любого материала покрашенного изнутри в черный цвет.
8. Детектор по п.1, отличающийся тем, что место пересечения оптических осей образует рабочую зону, размеры которой прямо пропорциональны величине возможных телесных углов источника и приемника излучений, причем величина рабочей зоны выбирается из условий необходимой чувствительности детектора и может регулироваться в широких пределах.
9. Детектор по п.7, отличающийся тем, что первая и вторая поглощающие камеры имеют по всей внутренней поверхности насечки в форме зуба высотой 11,5 мм.
10. Детектор по п.1, отличающийся тем, что длина каждой из оптических осей от поглощающих камер до источника излучения и приемника излучения соответственно составляет 50±10 мм.
11. Детектор по п.1, отличающийся тем, что приемник излучения выполнен в виде фототранзистора или фоторезистора.
