CC BY
30
Н.Ю. Тупикина
старший преподаватель кафедры
Бийского технологического института ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
УДК 536.521:535.317.2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА ДВУХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ
Разработаны методики и выполнена экспериментальная проверка эксплуатационных параметров оптико-электронного прибора двух спектральных отношений. Установлено, что прибор имеет высокое быстродействие и достоверность принятия решения и благодаря используемому методу спектрального отношения способен работать в условиях запыленной среды.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «СТАРТ», контракт № 12502р/23958 от 28.02.2014).
Ключевые слова: ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, МЕТОДИКА, ВЕРОЯТНОСТЬ ОБНАРУЖЕНИЯ, УГЛОВОЕ ПОЛЕ, БЫСТРОДЕЙСТВИЕ, ПОРОГОВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ
Обеспечение производственной безопасности угледобывающих предприятий в настоящее является важной задачей, что подтверждается статистической информацией, приводимой в ежегодных аналитических обзорах, публикуемых в журнале «Уголь» [1, 2]. Наиболее эффективным направлением работ по предотвращению взрывов метана и угольной пыли в шахтах является разработка приборов и систем, способных обнаружить очаг возгорания на ранней стадии. В данной области накоплен большой
опыт, разработан и функционирует ряд систем и приборов обнаружения и локализации очага возгорания [3, 4]. Составной частью таких систем является датчик, реагирующий на один из факторов возникновения очага возгорания. При этом датчик должен обладать следующими свойствами: высокое быстродействие, нечувствительность к влиянию промежуточной среды, устойчивость к воздействию внешних оптических помех.
Указанные свойства достаточно хорошо обеспечивают оптико-электронные датчики и приборы. Предложен ряд оптико-электронных приборов (ОЭП) предназначенных для работы в системах обнаружения и локализации очага возгорания [5-8], к таким приборам относится и оптико-электронный прибор двух спектральных отношений [9]. Прибор использует излучение в трёх спектральных диапазонах (750±40 нм, 950±50 нм, 1550±12 нм), на основе которых формирует два спектральных отношения, по анализу которых принимает решение о возникновении (или отсутствии) очага возгорания. Также особенностью прибора является использование в нём оптической системы с раздельными объективами каналов. Оптическая
А.Н. Павлов Г.В. Леонов
канд. техн. наук, профессор д-р техн. наук, профессор,
кафедры Бийского заведующий кафедрой Бийского
технологического института технологического института
ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И.
Ползунова» Ползунова»
система с раздельными объективами каналов включает три входных зрачка, расположенных в одной плоскости с центрами в вершинах равностороннего треугольника. Входные зрачки касаются друг друга и направлены на источник возгорания, а оптические оси каналов параллельны.
При разработке прибора заданы следующие параметры [10]:
- быстродействие - не более 10 мс;
- угловое поле - не менее 10 градусов;
- пороговая чувствительность по температуре - 600 °С;
- вероятность обнаружения очага возгорания в отсутствии внешних оптических помех - не менее 0,95;
- вероятность ложного срабатывания - не более 0,05;
- вероятность обнаружения очага возгорания в присутствии внешних оптических помех -не менее 0,95.
Далее была поставлена задача определения параметров разработанного оптико-электронного прибора двух спектральных отношений (ОЭП ДСО), которая может быть решена с использованием лабораторного стенда [11], который позволяет определить все требуемые параметры прибора, за исключением быстродействия. Быстродействие прибора в условиях близких к реальным следует определять в опытных шахтах и штольнях или с помощью специально разработанных установок, например, с помощью экспериментальной установки для проведения взрывов пылегазовоздушных смесей [12].
Каждый канал прибора имеет пороговую чувствительность ипор, которая определяется используемым в канале фотоприёмником. По результатам предварительно проведенных лабораторных испытаний наибольшее пороговое значение напряжения и соответствует каналу
1 пор * +
с рабочей длиной волны 950 нм, оно составляет 12 мВ и определяет пороговую чувствительность прибора ипор в целом.
Для ОЭП ДСО наиболее важным параметром является достоверность принятия решения, которая является комплексным параметром и определяется по совокупности:
- вероятности обнаружения очага возгорания в отсутствии оптических помех;
- вероятности ложного срабатывания;
- вероятности обнаружения очага возгорания в присутствие внешних оптических помех.
Определение вероятности обнаружения очага возгорания состоит в проведении серии опытов на лабораторном стенде [11], заключающихся в том, что в одинаковых условиях с перерывами не менее двух минут убирается перегородка между источником-имитатором очага возгорания и ОЭП ДСО и фиксируется срабатывание прибора или пропуск возгорания. В качестве источника-имитатора очага возгорания используется метановая горелка, в начальный момент времени перегородка установлена (рис.1).
Вероятность обнаружения очага возгорания определяется по формуле.
р. =ы /ы,
г обн ср 1
(1)
где Ыср - количество срабатываний прибора, ы-количество экспериментов в серии.
Аналогичным образом определяется и вероятность ложного срабатывания:
р =ы /ы, (2)
г лож срср 4 '
где Ыр - количество срабатываний прибора, ы -количество экспериментов в серии.
Вероятность обнаружения очага возгорания в условиях внешних оптических помех определяется при одновременном воздействии на входной зрачок прибора излучения от источника-имитатора очага возгорания и источников помех и рассчитывается по формуле (1).
1 - оптическая скамья;
2, 4, 6 - стойки; 3 - метановая горелка;
5 - прибор; 7 - светонепроницаемая перегородка
Рисунок 1 - Конструкция лабораторного стенда для определения вероятности обнаружения очага возгорания
67
Таблица 2 - Результаты серии экспериментов по определению вероятности ложного срабатывания
(отношение сигнал-шум равно 3)
Таблица 1 - Результаты серии экспериментов по определению вероятности обнаружения возгорания
Серия измерений Вид источника помехи Отношение сигнал-шум Количество срабатываний Количество пропусков возгорания Вероятность обнаружения
1 нет 2 70 30 0,70
2 нет 3 96 4 0,96
3 Лампа накаливания 60 Вт 3 95 5 0,95
Вид источника помехи Количество ложных Количество отсутствия Вероятность ложного
согласно [13] срабатываний срабатываний срабатывания
Люминесцентная лампа 0 100 0,00
мощностью 20 Вт
Люминесцентная лампа 0 100 0,00
мощностью 40 Вт
Лампа накаливания 10 90 0,10
мощностью 60 Вт
Лампа накаливания 5 95 0,05
мощностью 100 Вт
Результаты серии проведенных экспериментов по определению достоверности принятия решения показаны в таблицах 1 и 2.
Из анализа данных таблицы 1 следует, что при отношении сигнал-шум равном двум, вероятность обнаружения возгорания прибором меньше требуемого значения, которое установлено равным 0,95. Для того чтобы повысить вероятность обнаружения, отношение сигнал-шум принято равным трём, что привело к увеличению пороговой чувствительности прибора ипор, которая стала равна 18 мВ. В результате повторно проведенных серий измерений было установлено, что вероятность обнаружения очага возгорания как в отсутствии, так и в присутствии оптических помех соответствует значениям, установленным при разработке прибора. Вероятность ложного срабатывания (табл. 2) также соответствует требуемому значению.
Быстродействие разработанного
трёхканального ОЭП ДСО определяется интервалом времени между появлением очага возгорания в угловом поле и моментом выдачи прибором сигнала активации. За момент появления очага возгорания может быть принят момент появления очага возгорания, соответствующий моменту поджига газовоздушной смеси. Этот способ достаточно просто реализуется, но на практике его использование дает слишком большую погрешность при определении момента
времени появления очага возгорания. Это объясняется тем, что с течением времени очаг возгорания развивается, и в некоторый момент времени поток излучения, испускаемый очагом возгорания, будет соответствовать пороговой чувствительности прибора Фпор. При этом время с момента поджига до момента, когда поток излучения станет равным Ф , может оказаться
1 пор
значительным. Поэтому более корректно определить момент появления очага возгорания с помощью дополнительных технических средств, работающих независимо от прибора и фиксирующих момент появления очага возгорания.
Для определения быстродействия ОЭП ДСО используется экспериментальная установка для проведения взрывов пылегазовоздушных смесей [12]. Методика определения быстродействия ОЭП ДСО заключается в выполнении серии экспериментов, в каждом из которых производится взрыв газовоздушной смеси и регистрация сигналов внешнем модулем АЦП, подключенным параллельно выходам схемы усиления сигналов каждого канала, после чего следует обработка результатов эксперимента.
Результаты каждого эксперимента представлены в виде осциллограмм сигналов каналов прибора и сигнала активации взрыво-подавляющего устройства (рис. 2), по которым определяется разности At между моментом времени, когда напряжения на выходах всех фото-
У \ 41 / \
/ \
1 1 1 1 ; ' г 1
1 1 / ч /1 \ ! *Л
1 / / 'л , ж / \\ > 'л
1 - канал 1 (рабочая длина волны 950
нм);
2 - канал 2 (рабочая длина волны 750
нм);
3 - канал 3 (рабочая длина волны 1550
нм);
4 - сигнал активации
3580 3590 3600 3610 3620 3630 3640 3650 3660 3670 3680 I, МС
Рисунок 2 - Осциллограмма сигналов каналов прибора и сигнала активации устройства взрывоподав-
ления
приёмников превысит пороговое значение ипор, и моментом времени, соответствующим выдаче сигнала активации прибором.
По результатам проведенной серии из 10 экспериментов значение быстродействия ОЭП ДСО составляет 2,877 мс, что соответствует требованиям, предъявляемым к прибору.
Далее необходимо выполнить определение порога чувствительности ОЭП ДСО. Для этого в качестве источника излучения в лабораторном стенде [11] используется образцовый излучатель в виде модели абсолютного тела АЧТ-45/100/1000 [14], а выходы схемы усиления сигналов каждого канала подключаются через модуль АЦП к персональному компьютеру. При проведении испытаний расстояние до излучателя выбирается таким образом, чтобы он соответствовал очагу возгорания с минимально требуемыми параметрами обнаружения. Определение порога чувствительности по температуре состоит в выполнении серии измерений напряжений на каждом канале прибора и,, и2 и из в зависимости от температуры образцового излучателя Т. Обработка экспериментальных данных заключается в усреднении полученных значений напряжений для каждого значения температуры и построении их зависимостей и (Т), и2ср(Т) и изср(Т) (рис. 3а), после чего необходимо определить точки пересечения построенных зависимостей с уровнем напряжения соответствующим порогу чувствительности прибора ипор (рис.3 б).
Значения ипор должны достигнуть сигналы всех трёх каналов, только тогда ОЭП ДСО может определить наличие или отсутствие очага возгорания. Поэтому порог чувствительности по температуре для зависимостей, представленных на
рисунке 3б, будет соответствовать температуре Т равной 755°С, поскольку значение напряже-
пор 1 ' 1
ния равное порогу чувствительности ипор позже всех достигается каналом 2 (рабочая длина волны 750 нм).
Полученное в результате экспериментов значение пороговой чувствительности превышает заданное при разработке значение. Но на практике точность установки порога чувствительности по температуре является непринципиальной для приборов контроля, к которым относится исследуемый ОЭП ДСО. Увеличение порога чувствительности приведёт к увеличению порога срабатывания, что скажется на увеличении времени принятия решения о росте температуры и быстродействии прибора. Но поскольку быстродействие прибора составляет 2,877 мс, что в три раза меньше, чем требуется на практике, указанный факт не является критичным.
Угловое поле прибора - пространственный угол с вершиной в центре входного зрачка оптической системы прибора, в пределах которого может быть обнаружен очаг возгорания.
Поскольку в исследуемом ОЭП ДСО угловое поле обладает центральной симметрией, оно может выражаться значением линейного угла раствора соответствующего пространственного угла.
Определение углового поля ОЭП ДСО проводится с использованием лабораторного стенда [11] согласно рекомендациям, приведенным в [13], при этом в качестве источника излучения используют метановую горелку. Результатом серии проведенных экспериментов является построенная диаграмма чувствительности (рис. 4), по которой определяют значение углового поля.
69
Рисунок 3 - Зависимости средних значений напряжений на каждом канале прибора от температуры излучателя (расстояние до ф 0,5 м) 1 - канал 1 (рабочая длина волны 950 нм); 2 - канал 2 (рабочая длина волны 750 нм); 3 - канал 3 (рабочая длина волны 1550 нм); 4 - пороговая чувствительность по
напряжению
С учётом коэффициента неустойчивости к = 2 и максимального расстояния между прибором и источником излучения, при котором происходит срабатывание ¡тх = 1 согласно [13], получим:
^I =0,707 1 , (3)
тт так' 4 '
где ¡тт - минимальное расстояние между прибором и источником излучения при повороте прибора на угол а.
В ходе работы было проведено исследование углового поля ОЭП ДСО, в котором во всех каналах установлены фотоприёмники с различным размером чувствительной площадки (рис. 4).
Полученные на практике значения угло-
вого поля отличаются от полученных расчетных значений [15], отличие составляет до 32,88 % (если все фотоприёмники имеют размер чувствительной площадки 5*5 мм). Это объясняется неточной настройкой положения входных зрачков оптической системы и снижением чувствительности фотоприёмников на краях чувствительной площадки. Тем не менее, оптическая система ОЭП ДСО обеспечивает угловое поле 10 градусов (рис. 4а), что вполне приемлемо на практике.
Таким образом, в результате работы разработаны методики для экспериментальной проверки эксплуатационных параметров оптико-электронного прибора двух спектральных
б
а
Рисунок 4 - Диаграмма чувствительности прибора: а - размер чувствительной площадки двух фотоприёмников 10x10 мм, третьего фотоприёмника - 5x5 мм; б - размер чувствительной площадки фотоприёмников 10x10 мм; в - размер чувствительной площадки фотоприёмников 5x5 мм
в
отношений и выполнена проверка параметров прибора по разработанным методикам. На основании проведенного экспериментального определения параметров прибора установлено, что они соответствуют поставленным при разработке прибора требованиям. Исключением является пороговая чувствительность по температуре. Но значение указанного параметра
не является критичным для приборов обнаружения. По сравнению с аналогами, разработанный ОЭП ДСО имеет более высокое быстродействие и достоверность принятия решения. Прибор имеет программно-аппаратную защиту от ложных срабатываний и благодаря используемому методу спектрального отношения способен работать в условиях запыленной среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Таразанов, И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за 2013 год / И.Г. Таразанов // Уголь. - 2014. - № 3. - С. 53-67.
2. Таразанов, И.Г. Итоги работы угольной промышленности России за январь-декабрь 2014 г. / И.Г. Таразанов // Уголь. - 2015. - № 3. - С. 56-71.
3. МВК по ВД при АГН: Автоматическая система взрывоподавления-локализации взрывов (АСВП-ЛВ.1М) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://mvkmine.ru/lrus/asvp.
4. Система взрывозащиты газоотводящих сетей (СВГСА) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.methanesafety.ru/document/89.html.
5. Терентьев, С.А. Проектирование лабораторного образца пирометрического датчика с цилиндрическими линзами / С.А. Терентьев [и др.] // Ползуновский вестник. - 2012. - №3/2. - С. 93-95.
6. Повернов, Е.С. Лабораторный образец быстродействующего многопорогового прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций во взрывоопасной атмосфере / Е.С. Повернов, [и др.] // Ползуновский вестник. - 2013. - № 2. - С. 172-178.
7. Сидоренко, А.И. Разработка лабораторного образца пирометрического датчика координат очага возгорания с полевой диафрагмой / А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин. // Датчики и системы.
- 2014. - № 1. - С. 48-53.
8. Кураев, А.В. Программно-аппаратный комплекс для управления многоточечной системой определения координат очага возгорания / А.В. Кураев, С.А. Лисаков, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Ползуновский вестник. - 2014. - № 2. - С. 179-183.
9. Тупикина, Н. Ю. Трёхканальный оптико-электронный прибор обнаружения очага возгорания на ранней стадии в газодисперсной среде / Н. Ю. Тупикина, Е. В. Сыпин, Е. С. Повернов и др. // Ползуновский вестник. - 2012. - № 3/2. - С. 152-157.
10. Тупикина, Н.Ю. Разработка и исследование экспериментального образца активной системы раннего обнаружения и подавления очага возгорания: отчёт о НИОКР (заключ.) по контракту 12502р/23958 от 28.02.2014) / ООО «Светоток»; рук. Тупикина Н.Ю. - Бийск, 2015. - 64 с. - Исполн.: Сыпин Е.В., Повернов Е.С., Герасимов Д.А., Павлов А.Н., Лисаков С.А.. - Библиогр.: с. 54-56. - Рег. № НИОКР 01201462203 - Рег. № ИКРБС 215040140017.
11. Тупикина, Н Ю. Разработка стенда для исследования параметров оптико-электронных приборов обнаружения начальной стадии возгорания / Н.Ю. Тупикина, Е.В. Сыпин // Датчики и системы.
- 2013. - № 10 (173). - С. 32-35.
12. Сидоренко, А.И. Установка для экспериментального исследования систем взрывопо-давления / А.И. Сидоренко, Д.В. Герасимов, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Датчики и системы. - 2013. - № 10. - С. 27-31.
13. ГОСТ Р 53325-2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний. [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2012. - 270 с.
14. Излучатель в виде модели абсолютно черного тела АЧТ-45/100/1100. Руководство по эксплуатации ДДШ 2.979.005 РЭ. - 26 с.
15. Тупикина, Н.Ю. Методика расчёта параметров оптической системы трёхканального пирометрического прибора с раздельными объективами каналов / Н.Ю. Тупикина, Е.В. Сыпин, Е.Я. Куляв-цев // Вестник научного центра по безопасности работ в угольной промышленности. - 2015. - № 1. - С. 36-42.
TWO SPECTRAL RETIOS OPTIC ELECTRONIC INSTRUMENT OPERATIONAL PARAMETERS EXPERIMENTAL TEST
Tupikina N. Yu., Sypin Ye. V., Lisakov S. A., Pavlov A. N., Leonov G. V.
Methods are developed and experimental tests fulfilled of two spectral ratios optic electronic instrument operational parameters. It was found that the device has a high speed and accuracy of decision-making and due to the used spectral ratio method it is able to work in a dusty environment.
The work is done with support of Foundation for assistance to small innovative enterprises in science and technology ("Start" program, Contract No. 12502p/23958 dated by 28.02.2014).
Key words: OPTIC ELECTRONIC INSTRUMENT, METODS, PROBABILITY OF DETECTION, THE ANGULAR FIELD, SPEED, THRESHOLD SENSITIVITY
Тупикина Надежда Юрьевна e-mail: tnu@bti.secna.ru
Сыпин Евгений Викторович e-mail: sev@bti.secna.ru
Лисаков Сергей Анатольевич e-mail: foxlsa@mail.ru
Павлов Андрей Николаевич e-mail: pan@bti.secna.ru
Леонов Геннадий Валентинович e-mail: leonov@bti.secna.ru
^¡БЕЗОПАСНОСТИ
КМ «ВостЭКО»
ГЛАВНАЯ КОНТАКТЫ Поиск... а и
ВСТРЕЧИ С СЕМЬЯМИ ПОГИБШИХ ГОРНЯКОВ 15-07-2015
В Кузбассе прошли первые в этом году традиционные встречи с
родственниками погибших горняков.
Подробнее...
ВЕСТНИК
В РАЗВИТИЕ ГЛАВНОЙ ТЕМЫ 24-06-2015
Из печати вышел второй в этом году номер научно-технического журнала «Вестник». В своём обращении к читателям главный редактор издания, доктор технических наук Нэля Вадимовна Трубицына подчеркивает, что на угледобывающих предприятиях Кузнецкого бассейна аварийность с тяжёлыми последствиями и человеческими жертвами заметно снизилась.
■ А,
I I
ПОРТАЛ ПРОМЫШЛЕННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
^ ЧЯи
НЕ НУЖЕН УГОЛЬ ЛЮБОЙ ЦЕНОЙ
"УГОЛЬНАЯ" ПРОКУРАТУРА: ИТОГИ ПОЛУГОД
в
ii
Научные публикации
КОНЦЕПЦИЯ СОЗДАНИЯ ПУНКТОВ КОЛЛЕКТИВНОГО СПАСЕНИЯ ПЕРСОНАЛА ПРИ
e.ru
•': v ; •?•
'», W
72
Актуально
