CC BY
2ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА МНОГОТОЧЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ
ОЧАГА ВОЗГОРАНИЯ
УДК 004.352.242 (079.2)
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА МНОГОТОЧЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ ОЧАГА ВОЗГОРАНИЯ
С.А. Лисаков, А.В. Кураев, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин
В статье описывается лабораторное исследование по определению основных эксплуатационных параметров оптико-электронного датчика многоточечной системы определения пространственного расположения очага возгорания. Приведены результаты лабораторного исследования определения порога чувствительности и угла обзора датчика.
Ключевые слова: оптико-электронный датчик, очаг возгорания, электронная система, порог срабатывания, угол обзора.
многоточечная оптико -
Введение
Одним из направлений борьбы с пожарами и взрывами на потенциально опасных производствах является использование специальных автоматических систем противопожарной защиты и взрывоподавления, которые строятся на основе быстродействующих оптико-электронных датчиков [1].
Получение при этом дополнительной информации о пространственном расположении очага возгорания позволяет значительно повысить эффективность и рентабельность применения автоматической системы взрывоподавления [2].
В настоящее время в Бийском технологическом институте ведется разработка многоточечной оптико-электронной системы определения координат очага возгорания (МОЭС). Координаты источника оптического излучения внутри охраняемой зоны определяются системой на основе анализа потока излучения в различных точках охраняемого объекта с помощью некоординатных оптико-электронных датчиков, входящих в состав системы [3].
Одним из ключевых этапов работ является определение основных эксплуатационных параметров используемых датчиков: порога чувствительности и зоны обнаружения, которые устанавливаются на основе экспериментальных исследований с использованием очагов возгорания, организуемых специальным образом - тестовых очагов пожара.
В связи с вышеизложенным была сформулирована цель - провести лабораторное исследование по определению основных эксплуатационных параметров дат-
чика: порога чувствительности и зоны обнаружения датчика.
Основная часть
Оптико-электронный датчик МОЭС (рисунок 1) включает в себя объектив, светофильтр, приемник излучения (фотодиод) и усилитель. Поток излучения собирается объективом, проходит через светофильтр и фокусируется на приемнике излучения. Приемник излучения преобразует сигнал, переносимый потоком излучения (оптический сигнал), в аналоговый электрический. Блок усиления собран по схеме преобразователя ток-напряжение. Активным элементом в схеме является операционный усилитель с резистивным измерительным элементом в обратной связи.
ОБ - объектив; СФ - светофильтр;
ПИ - приемник излучения; Ус - блок усиления; МАВ - модуль аналогового ввода;
ПЛК - программируемый логический контроллер
Рисунок 1 - Структурная схема лабораторного образца МОЭС
Модуль аналогового ввода (МАВ) предназначен для преобразования аналоговых сигналов напряжения, поступающих от датчиков, в цифровой код и передачи его в программируемый логический контроллер (ПЛК). ПЛК осуществляет опрос датчиков и
выполняет обработку полученной измерительной информации. При превышении выходного сигнала датчика заданного порога срабатывания ПЛК принимает решение о наличии возгорания [4].
В случае, если преобладают шумы фотоприемника, порогом чувствительности называют мощность излучения, которая воздействует на фотоприемник и вызывает
и , превышающего
и = 6 •и = 1,7 -10"
пор ср.кв. >
В.
появление сигнала
среднеквадратическое значение шума и в определенное число раз р и обеспечивающее уверенное обнаружение сигнала:
и пор иср.кв.
• р.
Уверенное обнаружение сигнала произойдет, если его величина равна толщине шумовой дорожки, соответствующей удвоенному максимальному значению отдельных выбросов шума. При нормальном законе распределения выброс шума практически не превышает 3(, где ( = и^ркв. (вероятность превышения уровня 3( равна 1,3510-3), порог чувствительности может быть найден:
ипор = 2 • 3( = 6 -иср.кв. ,
т.е. р = 6 [5].
Определение значения пороговой чувствительности датчика можно выполнить на основе экспериментальных исследований в соответствии с рекомендациями [7]. При этом оценка среднеквадратического значения шума на выходе оптико-электронного датчика МОЭС проводится путем статистической обработки результатов записи шума с помощью высокоскоростной платы АЦП, подключенной к аналоговому выходу датчика. Измерительная информация с высокоскоростной платы АЦП передается в персональный компьютер (рисунок 2). Исследование проводится при отсутствии потока излучения на входном зрачке датчика (необходимо закрыть входной зрачок перегородкой). В качестве платы АЦП использовалась плата серии L-783 производства фирмы L-CARD [8].
Максимальное среднеквадратическое значение шума, полученное в результате обработки 10 кривых шума (в соответствии с рекомендациями [9]), составило
и = 2,83-10"4В, откуда порог чувствительности составляет
Датчик МОЭС
Плата АЦП
1.783
Персональный компьютер
Рисунок 2 - Структурная схема лабораторной установки для определения порога чувствительности
Вид записи одной из полученных шумовых дорожек показан на рисунке 3.
Рисунок 3 - Запись шумовой дорожки, полученная экспериментально
Наименьшее измеряемое значение модуля аналогового ввода (МВА, см. рисунок 1), к которому подключается датчик, составляет 210-3 В, поэтому для используемого измерительного канала порог чувствительности составляет 2 мВ.
Зона обнаружения пожарного извещате-ля (датчика) представляет собой часть пространства охраняемого объекта, при возникновении очага пожара в которой, извещатель выдает сигнал о пожаре [10]. Зона обнаружения датчика определяется углом обзора датчика и дальностью обнаружения.
Дальность обнаружения датчика - это максимальное расстояние от датчика до стандартного очага, на котором датчик способен зарегистрировать очаг. Дальность обнаружения датчика устанавливается на основе экспериментальных исследований с использованием очагов возгорания, организуемых специальным образом, - так называемых тестовых очагов пожара. При проведении исследований было предложено пользоваться рекомендациями, изложенными в стандартах для технических средств пожарной автоматики [11, 12].
Исследуемый оптико-электронный датчик обнаружения возгорания представляет собой извещатель пламени. Для определения порога срабатывания извещателей пламени согласно стандартам [11,12] используются тестовые очаги пожара ТП-5, ТП-6.
ПОЛЗУНОВСКИИ ВЕСТНИК № 2, 2014
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ДАТЧИКА МНОГОТОЧЕЧНОЙ СИСТЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПОЛОЖЕНИЯ
ОЧАГА ВОЗГОРАНИЯ
Тестовый очаг пожара ТП-5 (согласно ГОСТ Р 53289-2009) представляет собой устройство, предназначенное для горения легковоспламеняющейся жидкости с выделением дыма. При испытаниях для организации ТП-5 используют 650 ± 20 г Н-гептана, налитого в поддон из листовой стали толщиной 2 мм размерами 330*330*50 мм [12]. При этом при проведении исследований в качестве горючего вещества возможно использование бензина [13].
При организации тестового очага пожара ТП-6 осуществляется горение легковоспламеняющейся жидкости без выделения дыма. Для этого используют 2000 г этилового спирта, налитого в поддон размерами 435x435x50 мм из листовой стали толщиной 2 мм.
Зажигание горючего вещества тестовых очагов осуществляют открытым пламенем или высоковольтным искровым разрядом [11].
При проведении огневых испытаний в лабораторных условиях использование тестовых очагов невозможно, поскольку такие испытания небезопасны и должны проводиться в стандартных испытательных помещениях. В лабораторных условиях можно использовать очаги, аналогичные тестовым с пропорционально уменьшенными размерами поддонов. При этом аналогичный очаг необходимо устанавливать на расстоянии, при котором обеспечивается тот же уровень выходного сигнала, как и при воздействии тестового очага.
Для этого было проведено экспериментальное исследование по установлению соответствия размеров поддона и расстояния до очага, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика. При этом использовать три поддона с размерами, меньшими в 10; 7,5 и 5 раз, соответственно, по сравнению с размерами поддона тестового очага. В таблице 1 приведено соответствие размеров поддона и расстояния до очага, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика.
Зависимости размеров поддонов от расстояния, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика, при воздействии очагов аналогичных ТП-5 и ТП-6, показаны на рисунке 4.
Выполнив экстраполяцию зависимостей можно получить данные о расстоянии, на котором выходной сигнал датчика будет равен опорному сигналу щ при воздействии тестового очага.
Угол обзора зоны обнаружения извеща-теля (поле обзора) - пространственный угол с вершиной в центре входного отверстия оптической системы датчика, в пределах кото-
рого может быть обнаружен очаг возгорания. Поскольку в разработанном датчике угол обзора является симметричным, он может выражаться значением линейного угла раствора соответствующего пространственного угла [5]. Угол обзора датчика определяется его конструктивными параметрами.
Таблица 1. Соответствие размеров поддона и расстояния до очага, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика
Тестовый Расстояние, Размеры поддона,
очаг м мм
1 33x33x20 (1/10)
ТП-5 1,33 44x44x20 (1/7,5)
2 66x66x20 (1/5)
1 43,5x43,5x20(1/10)
ТП-6 2 58x58x20 (1/7,5)
4 87x87x20 (1/5)
Рисунок 4 - Зависимости размера поддона от расстояния, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика при воздействии очагов аналогичных ТП-5 и ТП-6
Определение угла обзора датчика проводят на основе экспериментальных исследований в соответствии с рекомендациями [10].
Диаграмма чувствительности датчика МОЭС полученная в результате проведения эксперимента представлена на рисунке 5.
Для случая, когда угол обзора датчика равен 90° (рисунок 5), дальность обнаружения датчика равна 28% от максимальной (очаг пожара расположен на оптической оси датчика).
Заключение
В результате выполнения работ было проведено лабораторное исследование по определению основных эксплуатационных параметров датчика: порога чувствительности и зоны обнаружения датчика. В результа-
те проведения исследований: получены зависимости размеров поддонов от расстояния, обеспечивающего одинаковый выходной сигнал датчика, при воздействии очагов аналогичных ТП-5 и ТП-6; построена диаграмма чувствительности датчика МОЭС.
1, °о
40
' 45
50
55
Рисунок 5 - Диаграмма чувствительности датчика МОЭС
Важную роль при определении порога срабатывания датчика играет негативное влияние на его работу фоновой освещенности источников искусственного и естественного освещения. Дальнейшая работа будет направлена на разработку методики определения порога срабатывания с учетом влияния фоновой освещенности. Работа выполняется при поддержке гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук МК-4677.2012.8.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Захаренко, Д.М. Проблемы раннего обнаружения очагов пожаров и взрывов угольной пыли [Текст] / Д.М. Захаренко // Проблемы использования канско-ачинских углей на электростанциях: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Красноярск, 2000. -с.141-149.
2. Павлов, А.Н. Оптико-электронная система определения трехмерных координат очага взрыва в газодисперсных системах на ранней стадии / А.Н. Павлов // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Бийск: 2010. - 134 с.
3. Лисаков, С.А. Определение координат очага взрыва многоточечной оптико-электронной системой на основе метода центра тяжести [Текст] / С.А. Лисаков, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Ползуновский вестник. -2013. -№ 2. - С. 7377.
4. Кураев, А.В. Лабораторный образец многоточечной оптико-электронной системы определения пространственного расположения очага взрыва / А.В. Кураев [и др.] // Южно-Сибирский Научный Вестник. -2013 г. - №1 (3). - С.19-21. - Режим доступа: http://s-sibsb.ru/images/articles /2013/1/4_19-21.pdf
5. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов / М.М. Мирошников - Издательство: «Лань», 2010. -704 с.
6. Порфирьев, Л.Ф. Основы теории преобразования сигналов в оптико-электронных системах / Л.Ф. Порфирьев -Издательство «Лань», 2013. - 400 с.
7. ГОСТ 25258-82. Средства измерений электрометрические. Правила приемки и методы испытаний. [Текст]. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1982. - 7 с.
8. Устройства сбора данных L-761, L-780 и L-783. Платы АЦП/ЦАП/ТТЛ на шину PCI 2.1. Руководство пользователя. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. // ЗАО «L-card». - 2009. -25 с. - Режим доступа: http://www.lcard.rU/download/l7xx_users_guide.p df
9. Дробот, П.Н. Теория ошибок и обработка результатов измерений / П.Н. Дробот.- Томск : Изд-во Томск. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2011.- 84с.
10. ГОСТ Р 52551-2006. Системы охраны и безопасности. Термины и определения. [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2006. - 38 с.
11. ГОСТ Р 53325 - 2009. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний. [Текст]. - М.: Стандартинформ, 2009. - 80 с.
12. НПБ 72-98. Извещатели пожарные пламени. Общие технические требования. Методы испытаний. [Текст]. - М.: ГУГПС МВД РФ; ФГУ ВНИИПО МВД РФ, 1998. - 13 с.
13. Извещатель пожарный пламени. ИП 330-313 «Пульсар 3-013». Руководство по эксплуатации. [Электронный ресурс]. Систем. требования: AdobeAcrobatReader. // «КБ ПРИБОР». - 2011. - 36 с. - Режим доступа: http://www.kbpribor.ru/download/ManualP3-013.pdf.
Аспирант Лисаков С.А., foxlsa@mail.ru; аспирант Кураев А.В., 7-goga@mail.ru; канд. техн. наук доцент кафедры Павлов А.Н. pan@bti.secna.ru; канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры Сыпин Е.В., sev@bti.secna.ru. Бийский технологический институт АлтГТУ (БТИ АлтГТУ) кафедра методов средств измерений и автоматизации, тел. (3854) 432450
ПОЛЗУНОВСКИЙ ВЕСТНИК № 2, 2014
