CC BY
44
m
А.И. Сидоренко
соискатель, Бииский технологический институт ФГБОУ ВПО « АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Е.В. Сыпин
канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Бийского технологического института ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
Г.В. Леонов
д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой Бийского
технологического института ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова»
III. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ БЕЗОПАСНОСТИ ГОРНЫХ РАБОТ TECHNOLOGICAL QUESTIONS OF MINING WORK SAFETY
УДК 536.521: 614.841.45
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ К ОПТИЧЕСКИМ ПОМЕХАМ ОПТИКО-
ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА ОБНАРУЖЕНИЯ
ОЧАГА ВЗРЫВА
В статье приведены результаты исследования повышения помехоустойчивости к оптическим помехам оптико-электронных приборов обнаружения очага взрыва методом спектральной селекции. Предложена методика определения оптимальных рабочих диапазонов длин волн. Приведены результаты экспериментального исследования помехоустойчивости к оптическим помехам.
Ключевые слова: ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР, ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ, ОПТИЧЕСКИЕ ПОМЕХИ, МЕТОДИКА, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА, ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
I ВВЕДЕНИЕ
Взрывобезопасность производственных процессов должна быть обеспечена взрывопредупреждением, взрывозащитой, а также активным взрывоподавлением. Суть метода взрывоподавления состоит в том, что на ранней стадии развития взрыва, которая фиксируется детектором, автоматически срабатывают устройства, выбрасывающие в защищаемый объем огнетушащее вещество. В качестве детекторов обычно используются оптико-электронные приборы (ОЭП), удовлетворяющие требованию высокого быстродействия [1,2].
На кафедре МСИА Бийского технологического института ФГБОУ ВПО «АлтГТУ им. И.И. Ползунова» разрабатываются ОЭП для автоматических систем взрывоподавления, основной областью применения которых являются угольные шахты. Актуальной задачей является исследование и разработка методов повышения помехозащищенности
приборов от оптических помех при сохранении высокой чувствительности и быстродействия прибора.
Существующие ОЭП обнаружения очага взрыва [3,4] обладают низкой помехоустойчивостью к оптическим помехам, что проявляется в ложном срабатывании при появлении в поле зрения прибора источников искусственного освещения (в частности, ламп накаливания) [5,6]. Это обстоятельство резко ограничивает область применения приборов темными помещениями без источников искусственного и естественного освещения.
Целью работы является экспериментальное исследование повышения помехоустойчивости оптико-электронных приборов к оптическим помехам методом спектральной селекции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие частные задачи:
- экспериментально определить оптимальные рабочие диапазоны длин волн для обеспечения помехоустойчивости ОЭП к оптическим
помехам;
- разработать методики исследования помехоустойчивости ОЭП к оптическим помехам в лабораторных условиях;
- провести серию экспериментов, подтверждающую эффективность использования выбранных рабочих диапазонов длин волн.
II ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
ОЭП содержит объектив 1 (рис.1), предназначенный для фокусировки светового потока на чувствительных окнах приемников излучения, разделитель светового потока 2, светофильтры 3 и 3' с разными спектрами пропускания, приемники оптического излучения 4 и 4', исполнительную схему 5, содержащую блок обработки измерительной информации и блок формирования электроимпульса на запуск устройств взры-воподавления.
Обобщенный алгоритм работы ОЭП заключается в следующем. Излучение охраняемого объекта собирается объективом 1 и делится разделителем светового потока на два оптических канала. Каждый из этих потоков фокусируется на фотоприемниках, одновременно происходит выделение узкого спектра энергии светофильтрами 3 и 3' для обеспечения возможности определения температуры очага возгорания методом спектрального отношения. Сигналы с фотоприемников подаются в исполнительную схему 5 на блок обработки информации, центральным звеном которого является микроконтроллер. Блок обработки информации (БОИ) преобразует сигналы в цифровые значения, выполняет программную фильтрацию помех, вычисляет отношение электрических сигналов с фотоприемников и сравнивает полученное значение с заранее заданным для принятия ре-
1 - объектив; 2 - разделитель светового потока; 3, 3' - светофильтры; , 4' - фотоприемники; 5 - электронная часть; БОИ - блок обработки информации;
БФЭ - блок формирования электроимпульса.
Рисунок 1 - Обобщенная структурная схема ОЭП обнаружения очага взрыва.
шения о возникновении (или отсутствии) возгорания. В случае возникновения возгорания БОИ формирует управляющий сигнал на активацию взрывоподавляющего устройства при помощи блока формирования электроимпульса.
При использовании бесконтактных методов определения температуры необходимо сделать обоснованный выбор оптимальных рабочих диапазонов длин волн прибора, что является важнейшей задачей спектральной селекции, позволяющей выделить излучение исследуемого объекта на фоне других излучений. Проведено теоретическое исследование, включающее анализ спектральных характеристик излучения пламени углеводородов, обоснование характерных температур контролируемого объекта, анализ спектральных характеристик источников оптических помех в угольных шахтах [5,6,7]. В результате исследования выявлено, что при выборе оптимальных рабочих диапазонов длин волн ОЭП обнаружения очага возгорания перспективным с точки зрения помехозащищенности является обнаружение линий излучения углекислого газа и паров воды, образующихся при горении метано-воздушной смеси: 2,7 и 4,2 мкм [8,9].
С целью выбора оптимального рабочего диапазона длин волн прибора, проведено экспериментальное исследование повышения помехоустойчивости к оптическим помехам методом спектральной селекции. Для выбора оптимальной длины волны в экспериментах использовались фотодиоды с центральными длинами волн, равными 0,96; 2,7; 4,2 мкм. В качестве оптической помехи при проведении экспериментов использовались галогенная лампа и лампа накаливания; в качестве тестовых очагов пожара - горение пропанбутановой смеси и тестовый очаг пожара ТП-6 (горение легковоспламеняющейся жидкости без выделения дыма) по ГОСТ Р 53325-2012 [10]. Для проведения экспериментов собрана лабораторная установка, структурная схема которой представлена на рисунке 2. Методика проведения экспериментов.
1. Устанавливается исследуемый фотодиод и источник искусственного освещения на штативах оптической скамьи. Расстояние между источником и фотодиодом выбирается таким, чтобы освещенность в плоскости чувствительного элемента фотодиода была не менее 250 лк [11]. Измерение уровня освещенности осуществляется люксметром.
2. Осуществляется 20 включений/выключений источника освещения с интервалом 1 с, измерением выходного напряжения блока преобразования и регистрация результатов на ПК.
61
1 - оптическая скамья; 2, 3 - штатив;
4 - источник излучения; 5 - приемник излучения;
6 - блок преобразования; 7 - блок АЦП;
8 - персональный компьютер
Рисунок 2 - Структурная схема лабораторной установки
Увеличивается уровень освещенности с интервалом 250 лк до тех пор, пока блок преобразования не перейдет в режим насыщения. Повторяется измерение выходного напряжения блока преобразования на каждом шаге.
3. На оптической оси фотодиода устанавливается тестовый очаг возгорания. Между фотодиодом и тестовым очагом вблизи фотодиода устанавливается светонепроницаемая перегородка. Фоновая освещенность в плоскости чувствительного элемента фотодиода не должна превышать 50 лк.
4. Зажигается тестовый очаг и через 30 с убирается светонепроницаемая перегородка. Фотодиод подвергается воздействию излучения тестового очага возгорания в течение 30 с на разных расстояниях от очага (от 25 до 100 см с шагом 10 см). При этом осуществляется измерение выходного напряжения блока преобразования с регистрацией результатов на ПК.
Для удовлетворительной точности в оценке наилучшего значения измеряемого напряжения необходимо провести не менее пяти измерений, не изменяя условий эксперимента. Для каждого из условий эксперимента последовательность обработки результатов измерений включает следующие этапы:
1. Поиск максимального значения напря-
жения и для каждого из пяти экспериментов, соответствующего данным условиям.
2. На основе полученной ограниченной статистической выборки и,, и2, ..., им вычисление выборочного среднего значения как наилучшей оценки истинного значения и [12]:
— 1 N
и =—У и.
N¿1 ' (1)
3. Вычисление опытного среднеквадрати-ческого отклонения :
£ (и - U)
=1_
Ж (ж -1) ' (2)
4. Определение табличного значения коэффициента Стьюдента , задав доверительную вероятность P = 0.95 по числу проведенных измерений N.
AU = ■ (3)
После обработки экспериментальных данных вычислены отношения выходных сигналов напряжения блоков преобразования для разных фотодиодов при одинаковых условиях проведения эксперимента. Полученные данные сведены в таблицу 1.
В таблице приняты следующие обозначения:
PD1 - выходной сигнал фотодиода с Лтах =
2,7 мкм;
PD2 - выходной сигнал фотодиода с Лтах =
4,2 мкм;
PD3 - выходной сигнал фотодиода с Лтах =
0,96 мкм.
В результате проведения экспериментов выявлено, что значения отношений не зависят от освещенности в плоскости чувствительного элемента фотодиода. Из таблицы 1 видно, что излучение при горении углеводородных смесей можно отличить от излучения источников искусственного освещения при использовании метода спектральных отношений, причем максимальное отличие (примерно в 49,5 раза) наблюдается при использовании фотодиодов с максимумами спектральной чувствительности,
Таблица 1 - Результаты проведения экспериментов
Тип источника излучения Отношения
PD1 PD2 PD2
PD3 PD3 ~PD1
Галогенная лампа 0,94 0,13 0,14
Лампа накаливания 0,6 0,1 0,17
Горение пропан-бутановой смеси 8,17 4,37 0,56
ТП-6 7,71 4,95 0,93
соответствующими длинам волн 4,2 и 0,96 мкм.
Разработан лабораторный образец ОЭП обнаружения очага взрыва с рабочими длинам волн 4,2 и 0,96 мкм. Проведена оценка его помехоустойчивости в лабораторных условиях.
Помехоустойчивость ОЭП для обнаружения очага возгорания определяется максимальной интенсивностью оптических помех, при которой прибор не выдает ложное срабатывание. Для оценки помехоустойчивости необходимо проведение комплексного экспериментального исследования, состоящего из огневых испытаний с одновременным определением устойчивости к воздействию прямого света.
При определении устойчивости исследуемого прибора к воздействию прямого света использовалась лабораторная установка, представляющая собой оптическую скамью с установленными стойками для исследуемого прибора и для источника искусственного освещения. На основе ГОСТ Р 53325-2012 [10] разработана следующая методика проведения испытаний на устойчивость прибора к воздействию прямого света:
1. Устанавливается исследуемый прибор на стойку оптической скамьи и выдерживается во включенном состоянии в течение не менее одного часа, при этом фоновая освещенность в плоскости входного зрачка прибора не должна превышать 50 лк.
2. Устанавливается непосредственно перед исследуемым прибором светонепроницаемая перегородка. Включается источник искусственного освещения и устанавливается расстояние между прибором и источником так, чтобы освещенность в плоскости перегородки была равна 250 лк. Измерение уровня освещенности осуществляется люксметром.
3. Убирается светонепроницаемая перегородка и осуществляется 20 раз включение/вы-
ключение источника освещения. Длительность включенного и выключенного состояния составляет 1 с.
4. Уменьшая расстояние между источником освещения и исследуемым прибором, определяется минимальное расстояние d, при котором исследуемый прибор не выдает ложного срабатывания при осуществлении серии из двадцати включений источника освещения. Уровень освещенности Еу при этом фиксируется люксметром.
При определении устойчивости прибора к воздействию прямого света в качестве источника изучения использовалась лампа накаливания Р3.75-1+0.5. Для удовлетворительной точности в оценке максимального уровня освещенности Е ,, при котором прибор не выдает ложного срабатывания, проведено 20 измерений при неизменных условиях эксперимента [13].
После обработки экспериментальных данных определен максимальный уровень освещенности, при котором прибор не выдает ложного срабатывания: Е==(2100±50) лк при доверительной вероятности Р=0,95.
Ввиду того, что в реальных условиях возможна ситуация, когда влияние оптической помехи будет совпадать с появлением очага возгорания, в лабораторных условиях необходимо провести эксперименты, в которых исследуемый прибор будет регистрировать полезный сигнал как при наличии оптической помехи, так и без нее. Проведены огневые испытания прибора с дополнительным введением оптической помехи при помощи лабораторной установки, упрощенная конструкция которой показана на рисунке 3. В качестве тестовых очагов при испытаниях использовались последовательно горение пропан-бутановой смеси и тестовый очаг ТП-6 (горение легковоспламеняющейся жидкости
1.4 - стойки;
2.5 - подвижные полки с фиксаторами; 3 - исследуемый прибор;
6 - оптическая помеха;
7 - тестовый очаг пожара
Рисунок 3 - Конструкция лабораторной установки для проведения огневых испытаний с дополнительным введением оптической помехи
63
без выделения дыма) по ГОСТ 53325-2012 [10]. В качестве оптической помехи при проведении испытаний использовались лампа накаливания Р3.75-1+0.5 из широко распространенного шахтерского головного светильника СГД-5М.05, белый светодиод со световым потоком не менее 50 лм (применяемый в шахтерском светильнике НГР 06-4-003-01), люминесцентная лампа ЛД402 и бытовая лампа накаливания мощностью 40 Вт. Разработана следующая методика проведения огневых испытаний с дополнительным введением оптической помехи:
1. Устанавливается исследуемый прибор на стойку 1 на высоте (1,5±0,1) м [11] над уровнем пола. На полке 5 устанавливается источник оптической помехи на оптической оси исследуемого прибора. Тестовый очаг возгорания устанавливается на полу. Расстояние между центром тестового очага и основанием стойки 1 равно 8 м. Расстояние между стойками 1 и 4 равно 9 м. Фоновая освещенность в плоскости входного зрачка прибора не должна превышать 50 лк.
2. Включается источник освещения. Через 30 секунд зажигается тестовый очаг. Срабатывание исследуемого прибора контролируется визуально при помощи устройства индикации, подключенного к выходам блока формирования электро-импульсов на запуск системы взрывопо-давления.
3. Уменьшая расстояние между стойками 1 и 4 с шагом 1 м, повторяются огневые испытания с предварительным включением источника оптической помехи на каждом шаге.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.Тупикина, Н. Ю. Способы построения трехканальной оптической системы с раздельными объективами каналов/ Н.Ю. Тупикина, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2014. - № 2 (6). - С. 143-148.
2. Герасимов, Д.А. Исследование динамических характеристик очага возгорания на начальной стадии в пирометрическом датчике пожарной сигнализации / Д.А. Герасимов, И.С. Зорин, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2014. - № 2 (6). - С. 128-131.
3. Лисаков, С.А. Лабораторное исследование точности определения координат очага возгорания многоточечной оптико-электронной системой для одномерного случая / С.А. Лисаков, А.В. Кураев, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2013. - № 2. - С. 94-98.
4. Кураев, А.В. Лабораторный образец многоточечной оптико-электронной системы определения пространственного расположения очага взрыва / А.В. Кураев, С.А. Лисаков, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2013. - № 1. - С. 19-21.
5. Герасимов, Д.А. Исследование динамических характеристик возможных искусственных источников оптических помех в пирометрическом датчике / Д.А. Герасимов, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. - 2013. - № 2. - С. 77-81.
6. Kuraev, A.V. Laboratory sample of multipoint system to determine the arrangement of the explosion source / A.V. Kuraev, S.A. Lisakov, A.N. Pavlov, E.V. Sypin // 14th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2013: Proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2013. - P.205-207.
7. Tupikina, N.Y. Research of the Three-channel Optical System with a Separate Entrance Pupils
По описанной методике для каждого типа оптической помехи проведено 20 испытаний, в каждом из которых зафиксировано срабатывание прибора от тестового очага возгорания и нечувствительность прибора к оптической помехе.
III ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате выполнения работы установлено, что при проектировании ОЭП обнаружения взрыва в угольных шахтах перспективным с точки зрения помехозащищенности является обнаружение линий излучения углекислого газа и паров воды, образующихся при горении мета-новоздушной смеси: 2,7 и 4,2 мкм. Разработана методика определения оптимальных рабочих диапазонов длин волн ОЭП, на основе которой проведено экспериментальное исследование, доказавшее, что при использовании метода спектральных отношений оптимальным является использование фотодиодов с максимумами спектральной чувствительности на длинах волн 4,2 и 0,96 мкм. Разработан лабораторный образец ОЭП обнаружения очага взрыва и проведена оценка его помехоустойчивости в лабораторных условиях. По результатам экспериментального исследования определен максимальный уровень освещенности, при котором прибор не выдает ложного срабатывания: E=2100 лк. В результате огневых испытаний с дополнительным введением оптической помехи доказано стабильное срабатывание ОЭП на пламя и нечувствительность к оптическим помехам.
of Channels Lenses at Different Arrangements of Entrance Pupils / N.Y. Tupikina, E.V. Sypin // 15th International conference of young specialists on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2014: Conference proceedings. - Novosibirsk: NSTU, 2014. - P.295-300.
8. Шаровар, Ф.И. Методы раннего обнаружения загораний / Ф.И. Шаровар. - М.: Стройиздат, 1988. - 336 с.
9. Излучательные свойства твердых материалов: справочник [Текст] / Под общ. ред. А.Е. Шейндлина. - М., «Энергия», 1974 г., 472 с., ил.
10. ГОСТ Р 53325-2012 Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний . - М.: Стандартинформ, 2013. - 270 с
11. НПБ 72-98 Извещатели пламени пожарные. Общие технические требования. Методы испытаний [Текст]. - Введен 1998-07-27. - Утв. приказом ГУГПС МВД России от 27 июля 1998 г. № 55
12. Дробот, П. Н. Теория ошибок и обработка результатов измерений: учеб. Пособие / П.Н. Дробот. - Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2011. - 84 с.
13. Сергеев, А. Г. Метрология: учебник / А.Г. Сергеев, М. - Логос, 2005. - 272 с.: ил
EXPERIMENTAL RESEARCH OF EXPLOSION SPOT DETECTION OPTIC ELECTRONIC INSTRUMENT INTERFERENCE IMMUNITY INCREASE
Sidorenko A. I., Sypin Ye. V., Leonov G. V. In the article the research results of interference immunity increase to optic interferences of optic electronic instruments for explosion spot detection by method of spectral selection are given. Method to determine the optimum working ranges of wave lengths is suggested. Experimental research results of interference immunity to optic interferences are given.
Key words: OPTIC ELECTRONIC INSTRUMENT, INTERFERENCE IMMUNITY, OPTIC INTERFERENCES, METHOD, EXPERIMENTAL EVALUATION, LABORATORY RESEARCHES
Сидоренко Антон Игоревич e-mail: sai@bti.secna.ru
Сыпин Евгений Викторович e-mail: sev@bti.secna.ru
Леонов Геннадий Валентинович e-mail: leonov@bti.secna.ru
65
