CC BY
26
УДК 536.521:535.317.2
МЕТОДИКА РАСЧЁТА ПАРАМЕТРОВ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ТРЁХКАНАЛЬНОГО ПИРОМЕТРИЧЕСКОГО ПРИБОРА С РАЗДЕЛЬНЫМИ ОБЪЕКТИВАМИ КАНАЛОВ
Разработана методика расчёта параметров оптической системы с раздельными объективами каналов. Показана целесообразность её использования в трёхканальном пирометрическом приборе обнаружения очага возгорания на ранней стадии с целью увеличения углового поля прибора.
Работа выполнена при поддержке Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (программа «СТАРТ», гос. контракт № 12502р/23958 от 28.02.2014).
Ключевые слова: ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ВХОДНОЙ ЗРАЧОК, УГЛОВОЕ ПОЛЕ, ОХРАНЯЕМАЯ
ЗОНА
Для обнаружения очага возгорания на ранней стадии актуальным является использование приборов, основанных на пирометрии спектрального отноше-льзование пирометрии спектрального отношения позволяет повысить нечувствительность прибора к запыленности промежуточной среды и исключить зависимость показаний прибора от расстояния до очага возгорания и его размеров [1].
Существует ряд оптико-электронных приборов предназначенных для обнаружения очага возгорания на ранней стадии [2-4]. Разработанные приборы характеризуются возможностью
достоверного определения очага возгорания на ранней стадии, высоким быстродействием, нечувствительностью к запыленности промежуточной оптической среды. В настоящее время актуальной задачей является повышение устойчивости разрабатываемых приборов к оптическим засветкам. Для решения этой задачи был предложен трёхканальный пирометрический прибор, который строится на базе классического пирометра спектрального отношения с введением в него дополнительного оптического кана-ла[5].
Новизной разрабатываемого прибора является определение присутствия или отсутствия
очага возгорания по двум спектральным отношениям, получаемым на основе сигналов трёх каналов, в отличие от традиционных пирометров спектральных отношений.
Первоначально при проектировании прибора было предложено использовать оптическую систему на основе полосовых интерференционных светофильтров [5]. Но предложенная оптическая система имеет недостаточное для её практического использования угловое поле. Из анализа расчёта параметров оптической системы установлено, что угловое поле составляет 5,72 градуса, при требуемом значении - не менее 10 градусов. Увеличение углового поля оптической системы на основе полосовых интерференционных светофильтров достигается путем увеличения размеров чувствительных площадок фотоприёмников или уменьшением фокусного расстояния собирающей линзы. На практике ни увеличение размера чувствительной площадки фотоприёмника, ни уменьшение фокусного расстояния не возможно вследствие ограничений, накладываемых на значение диаметра и фокусного расстояния собирающей линзы [5].
В ходе анализа литературы [6] были выявлены способы увеличения углового поля для различных оптических систем, которые различаются по сложности и эффективности применения для различных задач:
- использование конденсора приёмной оптической системы;
- использование многолинзового объектива;
- использование оптической системы с раздельными объективами каналов.
Из приведенных выше способов наиболее перспективным является последний, т.к. он обеспечивает меньшие потери при прохождении излучения через оптическую систему и более прост в реализации.
Таким образом, целью работы является расчёт и исследование параметров трёхканаль-ной оптической системы с раздельными объективами каналов. Частными задачами работы являются:
- построение модели исследуемой оптической системы;
- разработка методики расчёта параметров оптической системы;
- выполнение предварительного расчёта параметров оптической системы по разработанной методике.
Оптическая система с раздельными объективами каналов представляет собой несколько взаимно-независимых объективов, расположен-
ных определенным образом на лицевой панели прибора; количество объективов совпадает с количеством каналов прибора. Далее рассмотрено только расположение входных зрачков каналов, имеющее осевую симметрию. В результате сечение охраняемой зоны также будет иметь осевую симметрию.
На рисунках 1-3 показаны возможные способы расположения входных зрачков объективов каналов.
Для исследования выбран способ, показанный на рисунке 3. Выбранное расположение входных зрачков обеспечивает максимально близкое расположение каналов, что приближает оптическую систему с раздельными объективами каналов к оптической системе с общим входным зрачком. Кроме того, поток излучения от источника находящегося на оси г на расстоянии I от плоскости хОу будет одинаков для всех входных зрачков, в отличие, например, от способа расположения входных зрачков, представленного на рисунке 1.
Указанный способ характеризуется следующим:
- центры входных зрачков лежат в одной плоскости и в вершинах равностороннего треугольника, направлены на источник возгорания;
- оптические оси каналов наклонены таким образом, что лежат в плоскостях, проходящих через ось г, которая является осью симметрии оптической системы, и одну из высот равностороннего треугольника О1О2О3, образуя углы у1 = у2 = у3 = у с осью г.
Для практического использования оптической системы с раздельными объективами каналов необходимо оценить значения площади охраняемой зоны на заданном расстоянии I от плоскости расположения входных зрачков прибора и протяженность «мёртвой» зоны 1д. Также требуется выполнить оценку погрешности определения температуры АТ.
Вследствие того, что оптические оси каналов образуют угол с осью г, сечение охраняемой зоны каждого канала в сечении охраняемой зоны прибора ограничено эллипсом (рис. 4).
На рисунке 4 выделены следующие области:
I - область, перекрываемая тремя каналами, возможно вычисление двух спектральных отношений на основе трёх монохроматических каналов;
II - область, перекрываемая двумя каналами, возможно вычисление одного спектрального отношения на основе двух монохроматических каналов;
37
Рисунок 1 - Расположения входных зрачков объективов каналов прибора на прямой: а - вид с плоскости
наблюдателя, б - вид справа
Рисунок 2 - Расположения входных зрачков объективов каналов прибора в вершинах равностороннего треугольника: а - вид с плоскости наблюдателя, б - вид справа
' Л2(Лз)
02(0з H-i (Сз) ППг(Пз)
> 1 Ol 1...... с Л1 у ün, " it
а б
01, 02, 0з - центры входных зрачков; Л-|, Лг, Лэ - входные зрачки объективов каналов прибора; С1, Сг, Сз - светофильтры; П-|, ГЪ, ГЪ- приёмники излучения
Рисунок 3 - Расположения входных зрачков объективов каналов прибора в вершинах равностороннего треугольника, оптические оси каналов наклонены: а - вид с плоскости наблюдателя; б - вид справа
III - область, перекрываемая одним каналом, расчёт спектральных отношений невозможен, определение температуры возможно на основе одного монохроматического канала;
IV - область вне охраняемой зоны оптической системы. При площади области I равной нулю, в поле зрения прибора будет присутствовать «мёртвая зона» (рис. 5), характеризующе-
еся расстоянием 10, которое определяется как расстояние от начала координат до точки касания эллипсов, ограничивающих сечение охраняемой зоны.
Если очаг возгорания смещен относительно оптической оси системы, поток излучения приходящий на входные зрачки каналов будет различен. Поэтому определяемая прибором
38
Рисунок 4 - Сечение охраняемой зоны, обеспечиваемой трёхканальной оптической системой с раздельными объективами каналов температура источника возгорания Т., находящегося в точке с координатами (х.; у.; I) будет отличаться от действительной температуры источника возгорания Т0 на величину методической погрешности ЛТ
М = ±\Т0-Т,\ (1)
где Т0 - действительная температура источника возгорания, которая соответствует температуре источника возгорания, находящегося в точке с координатами (0; 0; I), м.
Площадь охраняемой зоны на заданном расстоянии I от входного зрачка прибора будет стремиться к максимальному значению при выполнении двух условий:
1) расстояние между центрами эллипсов,
ограничивающих сечение охраняемых зон каналов, стремится к минимально возможному значению. Для выполнения этого условия необходимо чтобы расстояние между центрами стремилось к нулю, т.е. центры эллипсов должны стремиться к точке с координатами (0; 0; /);
2) площадь охраняемой зоны каждого канала стремится к максимально возможному значению. Для выполнения этого условия необходимо чтобы большая и малая полуоси эллипсов, ограничивающих сечения охраняемых зон каналов, стремились к равенству, то есть сечение охраняемой зоны должно быть ограничено окружностью. Из чего следует, что угол наклона оптических осей у должен стремиться к нулю градусов.
Приведенные условия достижения максимальной площади охраняемой зоны противоречат друг другу. Согласно первому условию координаты центров эллипсов должны находиться в точке с координатами (0; 0; I). Если выполняется второе условие, то угол наклона оптических осей составляет нуль градусов, и сечение охраняемой зоны каждого канала ограничено окружностью. Центры этих окружностей находятся в точках с координатами (хо! уо! I), где хо., уы - координаты центров входных зрачков в плоскости ХОУ. Поэтому для того чтобы найти оптимальное положение входных зрачков оптической системы необходимо выполнить детальный расчёт её параметров.
На первом шаге строятся сечения охраняемой зоны на расстоянии I от плоскости расположения входных зрачков (рис. 6).
Расчёт протяженности «мёртвой» зоны
Рисунок 5 - Наличие «мёртвой» зоны внутри углового поля зрения оптической системы с раздельными
объективами каналов (угол у равен нулю)
39
Рисунок 6 - Сечение охраняемой зоны на расстоянии I от входного зрачка прибора:а - центры эллипсов, ограничивающих сечение охраняемой зоны каналов, находящиеся в точке с координатами (0; 0; I); б - угол
наклона оптических осей у равен нуль градусов
выполняется по формуле, которая получена на основе геометрического моделирования иссле-
q = cosy
пред
. : - вспомогательная пере-
(2)
дуемой оптическом системы:
>0 = А---V(l + tg2Y>A-tgy
2 ■ (tgy -tgcoj
где D — диаметр входного значка канала, м; у - угол наклона оптических осей, град; ю1 - половина углового поля одного канала прибора, град;
h - расстояние от начала координат до центров входных зрачков каналов, м.
Из анализа выражения (2) следует, что увеличение расстояния к отрицательно сказывается на параметрах оптической системы: протяженность «мёртвой» зоны увеличивается и может стать сопоставима с расстоянием I до плоскости, в которой находятся входные зрачки прибора. Поэтому далее принято, что входные зрачки приборов касаются друг друга.
На следующем шаге осуществляется расчёт площади охраняемой зоны. Площадь охраняемой зоны, когда центры эллипсов, ограничивающих сечение охраняемой зоны каналов, находятся в точке с координатами (0; 0; I) будет определяться по формуле:
(3)
где v..,,, -úíyh
fo-
il-Г D2
+ ,1 +
144 Г L68 ■/
D
D
2A-V
D1 '
- угол, обеспечивающий положение центров эллипсов, ограничивающих сечение охраняемой зоны каналов в точке с координатами
(0; 0; I), град; _р 1-цем,
- радиус охраняемой зоны одного
' пре д
канала оптической системы м;
менная, необходимая для более компактной записи выражения. Остальные обозначения соответствуют принятым ранее обозначениям.
При нулевом угле наклона оптических осей у площадь охраняемой зоны будет рассчитываться по формуле
(4)
Определяемая прибором температура источника возгорания Т представляет собой функциональную зависимость Т = ^), где 0> -спектральное отношение каналов. На практике простым способом получения зависимости Т = ^) является численное моделирование очага возгорания с получением таблицы значений функции Q = Т) и последующей аппроксимацией функции Т = ^) по полученным табличным значениям.
Расчёт методической погрешности определения температуры для положения очага возгорания в точке с координатами (х, у, I) сводится к нахождению косинусов углов а1 и а2 между направлениями на источник возгорания и оптическими осями каналов и расчёту спектрального отношения
cosa2 (5)
где О0 - спектральное отношение, рассчитанное для точки, лежащей на оптической оси системы.
Значение температуры T, соответствующее спектральному отношению, рассчитанному по формуле (5), определяется по найденной ранее функциональной зависимости T = f(Q), и далее рассчитывается методическая погрешность определения температуры по формуле (1). Ана-
40
логичным образом рассчитывается погрешность и для второй пары каналов.
Для расчёта параметров оптической системы при различных вариантах её построения в качестве примера взяты следующие исходные данные:
- диаметры входных зрачков каналов В =
0,06 м;
- площадь охраняемой зоны 8оз = 9,0 м2;
- расстояние от входного зрачка прибора до очага возгорания I = 10,0 м.
Из анализа результатов проведенных исследований оптической системы (табл. 1) следует, что наклон оптических осей несущественно влияет на параметры оптической системы. Кроме того, в случае ненулевого значения угла наклона оптических осей у возникают дополнительные трудности при монтаже компонентов оптической системы, а также при её юстировке.
Зависимость методической погрешности определения температуры для двух каналов прибора не превышает 0,4 градуса (рис. 7).
Таким образом, в результате работы разработана методика и проведён расчёт параметров оптической системы с раздельными объективами каналов и показана целесообразность её применения в трёхканальном пирометрической приборе двух спектральных отношений с целью увеличения углового поля прибора. Установлено, что наиболее оптимальные параметры оптической системы обеспечиваются при расположении входных зрачков в одной плоскости с центрами в вершинах равностороннего треугольника, входные зрачки касаются друг друга и
Рисунок 7 - Зависимость методической погрешности определения температуры по отношению каналов
1 (рабочий спектральный диапазон 690±30 нм) и
2 (рабочий спектральный диапазон 760±30 нм) от
смещения источника излучения вдоль оси у
направлены на источник возгорания, а оптические оси каналов параллельны. Использование разработанной оптической системы позволяет увеличить угловое поле прибора, при этом увеличивается коэффициент пропускания оптической системы за счёт использования меньшего количества оптических компонентов, уменьшаются габаритные размеры оптической системы, упрощается практическая реализация оптической системы.
В дальнейшем планируется изготовление трёхканального пирометрического прибора, использующего разработанную оптическую систему и последующие экспериментальные исследования её параметров на лабораторном стенде[7].
Таблица 1 - Результаты расчёта параметров при различных вариантах построения оптической системы (входные зрачки каналов касаются друг друга)
Параметры оптической системы Варианты построения оптической системы
Центры эллипсов, ограничивающих сечения охраняемой зоны каналов, находятся в точке с координатами (0; 0; 1) Угол наклона оптических осей у равен нуль градусов
Угол наклона оптических осей у, градусы -0,20 0,00
Расстояние от начала координат до центров входных зрачков каналов к, мм 34,91 34,61
Протяженность «мёртвой» зоны м 0,03 0,03
Половина углового поля каналов прибора т, градусы 9,44 9,63
Половина углового поля прибора т, градусы 9,61
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Поскачей, А. А. Оптико-электронные системы измерения температуры / А. А. Поскачей, Е. П. Чубаров. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 248 с
2. Повернов, Е. С. Лабораторный образец быстродействующего многопорогового прибора контроля аварийных и предаварийных ситуаций во взрывоопасной атмосфере / Е. С. Повернов, Д. А. Герасимов, Е. В. Сыпин, Н. Ю. Тупикина, А.Н. Павлов. - Ползуновский вестник. - 2013. - № 2. - С. 172-178.
3. 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 (3). - С. 19-21.
4. 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 (176). - С. 48-53.
5. 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.
6. Тарасов, В. В. Двух и многодиапазонные оптико-электронные системы с матричными приемниками излучения [Текст]: учебное пособие / В. В. Тарасов, Ю. Г. Якушенков. - М.: Университетская книга; Логос, 2007. - 192с.
7. 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.
OPTIC SYSTEM PARAMETERS CALCULATION METHODS OF TRIPLE CHANNEL PYROMETRIC INSTRUMENT WITH SEPARATE CHANNEL OBJECTIVES
Tupikina N.Y., Sypin Y.V., Kuliavtsev Y.Y.
Parameters calculation methods of optic system with separate channel objectives is developed. The expediency of its use in triple-channel pyrometric device for early detection of fire spot in order to increase the device angular field is shown.
The work is fulfilled with support of the Foundation for Assistance to Small Innovative Enterprises in Science and Technology Fields ("START program, the state contract No. 12502p/23958 dated by 28.02.2014).
Key words: OPTIC SYSTEM, ENTRANCE PUPIL, ANGULAR FIELD, PROTECTED ZONE
Тупикина Надежда Юрьевна e-mail: [email protected]
Сыпин Евгений Викторович e-mail: [email protected]
Кулявцев Евгений Яковлевич e-mail: [email protected]
42
