Модуляционный датчик горения

Модуляционный датчик горения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к противопожарной технике и может быть использовано для обнаружения горения.

Известны датчики, основанные на восприятии инфракрасного излучения в связи с нагревом или появлением пламени. В пожарном датчике (Авторское свидетельство СССР 1251144 A1, G08B 17/12, опубл. 15.08.86) - [1] излучение, возникшее в связи с нагревом или появлением пламени, попадает в волоконный световод, в результате чего на выходе датчика имеет место воспринятое излучение, которое может быть зарегистрировано, например, детектором ИК-излучения.

В устройстве для пожарной сигнализации (Авторское свидетельство СССР 1517050 A1, G08B 17/12, опубл. 23.10.89) - [2] для регистрации и сигнализации о пожаре используется суммирование последовательности отрицательных импульсов, соответствующей воспринятому чувствительным элементом инфракрасному излучению пламени и последовательности положительных импульсов, соответствующих пожароопасной ситуации, поступающих с генератора. Здесь, в отличие от изобретения [1], реализована более высокая информативность, поскольку можно судить об исправности или неисправности устройства, а также реализована более высокая достоверность регистрации пожара.

Модуляционный датчик пламени (МДП) (Патент РФ RU 2179743 С1, G08B 17/12, 17/103, 17/06, опубл. 20.02.2002) - [3] содержит герметичный корпус, внутри которого установлены светофильтр, пропускающий ИК-излучение, детектор ИК-излучения, усилитель сигнала, питающий генератор, электронный ключ, включающий автоматическую систему пожаротушения. Между светофильтром и детектором ИК-излучения установлен маятниковый модулятор, а детектор ИК-излучения и усилитель сигнала связаны с электронным ключом через последовательно соединенные формирователь прямоугольных импульсов и счетчик импульсов. Маятниковый модулятор представляет собой исполнительный механизм, на который подается напряжение от питающего генератора, и маятник, колеблющийся перед глазком детектора ПК-излучения с частотой 25 Гц. В корпусе установлена также микролампа тестирования, смещенная относительно продольной оси корпуса таким образом, что световой сигнал от микролампы попадает к детектору ИК-излучения через маятниковый модулятор, отражаясь от светофильтра. При тестировании контролируется работа всего тракта МДП, но система пожаротушения блокируется. При дистанционном включении тестирующей микролампы ИК-излучение от нее попадает на светофильтр, а затем, отражаясь от него, на детектор ИК-излучения. При этом это излучение прерывается маятниковым модулятором, так же как и при возгорании, однако, срабатывание системы пожаротушения автоматически блокируется.

Недостатками устройства является невысокая информативность сигнала, получаемого в режиме тестирования, из-за смешения оптического сигнала контролируемого пространства и тестового сигнала, большое энергопотребление и габариты вследствие наличия маятникового модулятора, малые быстродействие и достоверность регистрации пожара, что снижает эффективность датчика.

Указанные аналоги обладают невысокими быстродействием, информативностью, чувствительностью и достоверностью регистрации пожара, что является их недостатками.

Прототипом предлагаемого изобретения является модуляционный датчик горения (Патент РФ RU 2332723 C1, G08B 17/12, опубл. 27.08.2008) - [4]. Модуляционный датчик горения содержит оптическую систему, модулятор, выполненный в виде неподвижной растровой решетки и подвижной растровой решетки, механически связанной с электромеханическим осциллятором, при этом каждая из растровых решеток модулятора имеет две зоны модуляции оптических сигналов с одинаковыми постоянными периодами. Выходом устройства является выход схемы обработки сигналов, входы которой подключены к фотоприемнику и электромеханическому осциллятору. Оптическая система содержит источник оптического тестового сигнала и выполнена таким образом, что на ее выходе имеются два сигнала: тестовый сигнал и сигнал контролируемого пространства, которые разделены в пространстве и не смешиваются. Параметры растровых решеток выбираются таким образом, что за один период движения подвижной растровой решетки два этих оптических потока проходят по очереди, раздельно во времени через модулятор, преобразуются фотоприемником в электрический сигнал в виде двух импульсов: амплитуда первого импульса соответствует тестовому сигналу, а амплитуда второго импульса - сигналу контролируемого пространства. Таким образом, за счет конструкции растровых решеток на входе фотоприемника может присутствовать только один оптический сигнал: либо тестовый, либо сигнал контролируемого пространства. Для этого параметры растровых решеток должны соответствовать неравенствам:

где d - период растровых решеток, d₁, d₂ - ширина прозрачного участка неподвижной и подвижной растровых решеток соответственно, d₃, d₄ - расстояние между зонами модуляции оптических сигналов неподвижной 4 и подвижной 5 растровых решеток соответственно, x_m - амплитуда колебания подвижной растровой решетки.

Основными недостатками прототипа являются невысокая чувствительность, сложная конструкция двухканального модулятора и высокое энергопотребление вследствие непрерывной работы тестового источника.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности датчика - увеличении чувствительности датчика и уменьшении потребляемой мощности.

Технический результат достигается тем, что в модуляционном датчике горения, содержащем оптическую систему с источником оптического тестового сигнала, электромеханический осциллятор, модулятор, выполненный в виде неподвижной растровой решетки и подвижной растровой решетки, механически связанной с электромеханическим осциллятором, фотоприемник, схему обработки сигналов, новым является то, что каждая из растровых решеток имеет одну зону модуляции оптических сигналов, а параметры решеток выполнены в соответствии с системой неравенств:

где d - период растровых решеток, d₁, d₂ - ширина прозрачного участка неподвижной и подвижной растровых решеток соответственно, x_m - амплитуда колебания подвижной растровой решетки, при этом источник тестового сигнала оптической системы, управляемый схемой обработки сигналов, выполнен с возможностью управления его включением и выключением для периодического контроля работоспособности датчика, а фотоприемник выдает периодический сигнал в виде последовательности уровней сигнала контролируемого пространства, нулевого сигнала и тестового сигнала.

Сущность изобретения представлена на фиг.1-3, где фиг.1 - структурная схема, фиг.2 - структура растровых решеток, фиг.3 - схема формирования сигнала. Здесь: 1 - оптическая система, 2 - электромеханический осциллятор, 3 - модулятор, 4 - неподвижная растровая решетка, 5 - подвижная растровая решетка, 6 - фотоприемник, 7 - схема обработки сигналов, 8 - источник тестового сигнала, 9 - диафрагма, 10 - светофильтр.

Модуляционный датчик горения содержит оптическую систему 1, модулятор 3, выполненный в виде неподвижной растровой решетки 4 и подвижной растровой решетки 5, механически связанной с электромеханическим осциллятором 2, при этом каждая из растровых решеток модулятора 3 имеет одну зону модуляции оптического сигнал. Выходом устройства является выход схемы обработки сигналов 7, входы которой подключены к фотоприемнику 6, тестовому источнику 8 и электромеханическому осциллятору 2. Оптическая система 1 содержит источник оптического тестового сигнала 8 и выполнена таким образом, что на ее выходе имеются два сигнала: тестовый сигнал и сигнал контролируемого пространства, которые разделены в пространстве и не смешиваются. Параметры растровых решеток 4, 5 выбираются таким образом, что за один период движения подвижной растровой решетки 5 оптический поток контролируемого пространства последовательно перекрывается и открывается для прохождения через модулятор 3. В промежутке времени, соответствующем перекрытию оптического потока контролируемого пространства на фотоприемник 6, осуществляется включение тестового источника 8 на короткий промежуток времени с помощью схемы обработки сигналов 7. Оптический сигнал преобразуется фотоприемником 6 в электрический сигнал в виде двух импульсов: амплитуда первого импульса соответствует сигналу контролируемого пространства, а амплитуда второго импульса - тестовому сигналу.

Оптическая система 1 может быть реализована, например, на элементах, описанных в [3]: диафрагмы, светофильтра, пропускающего ИК-излучение, и микролампы тестирования.

Электромеханический осциллятор 2, являющийся приводом подвижной растровой решетки, может быть выполнен, например, в виде упругого подвеса, приводящегося в резонансные колебания с помощью электромагнита.

Датчик работает следующим образом. Он выполняет свою функцию при следующих значениях параметров растровых решеток 4, 5 модулятора 3, представленного на фиг.2:

где d - период растровых решеток, d₁, d₂ - ширина прозрачного участка неподвижной и подвижной растровых решеток соответственно, x_m - амплитуда колебания подвижной растровой решетки.

Оптическая система 1 выдает два разделенных в пространстве оптических сигнала: сигнал контролируемого пространства, поступающий на вход оптической системы, и тестовый сигнал, источник которого содержится в оптической системе 1. Далее сигнал контролируемого пространства проходит через модулятор 3, подвижная растровая решетка 5 которого совершает периодические колебания под управлением электромеханического осциллятора 2. В положении 1 подвижной растровой решетки 5 все прозрачные участки неподвижной растровой решетки 4 перекрыты непрозрачными участками подвижной растровой решетки 5, поэтому оптический сигнал контролируемого пространства и тестовый сигнал через модулятор 3 не проходят, и на фотоприемнике 6 мы получаем нулевой уровень сигнала U_m1. При перемещении подвижной растровой решетки 5 из положения 1 в положение 2 прозрачные участки неподвижной растровой решетки 4 постепенно открываются, поэтому на фотоприемнике 6 получаем нарастание сигнала контролируемого пространства, который в положении 2 подвижной растровой решетки 5 достигает максимального уровня U_m2, пропорционального уровню излучения контролируемого пространства. Уровень U_m2 не изменится до положения 3 подвижной растровой решетки 5. С положения 3 до положения 4 подвижной растровой решетки 5 сигнал на фотоприемнике 6 линейно убывает, а в положении 4 и до положения 7 подвижной растровой решетки 5 прозрачные участки неподвижной растровой решетки 4 в обеих частях пространства перекрыты непрозрачными участками подвижной растровой решетки 5. В положении 5 растровой решетки и до положения 6 осуществляется засветка фотоприемника тестовым источником, при этом включение тестового источника управляется схемой обработки сигналов, что можно видеть по схеме, приведенной на фиг.3а. Таким образом, в положениях 4-5 и 6-7 подвижной растровой решетки 5 на фотоприемнике 6 мы получаем нулевой уровень сигнала U_m1, а в положении 5-6 - уровень тестового сигнала U _m2, представленные на фиг.3б.

Отметим, что в положениях 2-3 и 4-5 подвижной растровой решетки 5 уровни сигналов, получаемые на фотоприемнике 6, не меняются, поскольку прозрачные участки подвижной растровой решетки 5 более узкие, чем прозрачные участки неподвижной растровой решетки 4. При различных значениях параметров растровых решеток 4, 5 получим различные формы сигнала на фотоприемнике 6, например, в одном из частных случаев трапецеидальная форма сигнала, изображенного на фиг.3, вырождается в треугольную форму. Прошедший через модулятор 3 оптический сигнал контролируемого пространства и тестовый оптический сигнал попадают на фотоприемник 6, который преобразует их в электрический сигнал. Сигнал с фотоприемника 6 поступает на схему обработки сигналов 7.

Результаты сравнения уровня сигнала контролируемого пространства и нулевого уровня, уровня тестового сигнала и уровня сигнала контролируемого пространства, уровня тестового сигнала и нулевого уровня определяют состояние датчика:

1. Снижение разности между нулевым уровнем и уровнем тестового сигнала. Это может свидетельствовать либо о неисправности элементов датчика, либо о неконтролируемом снижении мощности электропитания источника тестового оптического сигнала, что соответствует выходному сигналу "Неисправность" датчика.

2. Увеличение разности между нулевым уровнем и уровнем тестового сигнала может свидетельствовать о неконтролируемом (самопроизвольном) увеличении мощности электропитания источника тестового оптического сигнала ("Неисправность").

3. Снижение разности между нулевым уровнем и уровнем сигнала контролируемого пространства может свидетельствовать о неисправности модулятора ("Неисправность").

4. Увеличение разности между нулевым уровнем и уровнем сигнала контролируемого пространства свидетельствует о пожаре в контролируемом пространстве ("Пожар").

5. Снижение разности между уровнем тестового сигнала и уровнем сигнала контролируемого пространства может свидетельствовать либо о пожаре в контролируемом пространстве ("Пожар"), либо о неконтролируемом снижении мощности электропитания источника тестового оптического сигнала ("Неисправность"), либо о неисправности модулятора ("Неисправность").

6. Увеличение разности между уровнем тестового сигнала и уровнем сигнала контролируемого пространства может свидетельствовать либо о неконтролируемом (самопроизвольном) увеличении мощности электропитания источника тестового оптического сигнала ("Неисправность"), либо о неисправной работе модулятора ("Неисправность").

Все остальные случаи, когда результаты сравнения сигналов находятся на допустимых уровнях, соответствуют выходному сигналу "Норма" датчика.

Таким образом, модуляционный датчик горения несложен в исполнении, прост и надежен в работе и за счет применения в модуляторе 3 оптических растровых решеток 4, 5 с параметрами d, d₁, d₂, x_m, связанными приведенной ранее системой неравенств, позволяет:

1) повысить чувствительность и информативность устройства, поскольку сравнивая между собой уровень сигнала контролируемого пространства, уровень тестового сигнала и нулевой уровень, имеется возможность не только регистрации пожара и проверки работоспособности устройства в целом, но и контроля наиболее важных узлов устройства, а также регистрации тления (беспламенного горения);

2) повысить достоверность регистрации пожара, поскольку результат выдается на основании сравнения непосредственно уровня сигнала контролируемого пространства с нулевым уровнем и уровнем тестового сигнала, а не на основании анализа только сигнала контролируемого пространства;

3) повысить быстродействие датчика, поскольку анализ электрического сигнала осуществляется непрерывно, кроме того, растровые решетки модулятора можно изготовить с периодами довольно малой величины (до сотых долей мм), что дает возможность использовать малые амплитуды и большие частоты колебаний для перемещения подвижной растровой решетки, по этой же причине уменьшаются энергопотребление и габариты устройства, снижаются механические вибрации.

Модуляционный датчик горения, содержащий оптическую систему с источником оптического тестового сигнала, электромеханический осциллятор, модулятор, выполненный в виде неподвижной растровой решетки и подвижной растровой решетки, механически связанной с электромеханическим осциллятором, фотоприемник, схему обработки сигналов, отличающийся тем, что каждая из растровых решеток имеет одну зону модуляции оптического сигнала, а параметры решеток выполнены в соответствии с системой неравенств: где d - период растровых решеток, d₁, d₂ - ширина прозрачного участка неподвижной и подвижной растровых решеток соответственно, x_m - амплитуда колебания подвижной растровой решетки, при этом источник тестового сигнала оптической системы, управляемый схемой обработки сигналов, выполнен с возможностью управления его включением и выключением для периодического контроля работоспособности датчика, а фотоприемник выдает периодический сигнал в виде последовательности уровней сигнала контролируемого пространства, нулевого сигнала и тестового сигнала.