CC BY
71
УДК 614.84:658.284:536.521.3
С.А. Терентьев (ведущий инженер Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им И.И. Ползунова»)
Е.В. Сыпин (канд.техн.наук, доцент, профессор Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им И.И. Ползунова»)
Е.Я. Кулявцев, Р.И. Куимов (аспиранты Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им И.И. Ползунова»)
В.Г. Казанцев (д-р техн. наук, профессор Бийского технологического института (филиал) ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет им И.И. Ползунова»)
Проектирование оптической системы с цилиндрическими линзами пирометрического датчика определения координат
очага возгорания
Излагается расчет оптической системы датчика пожарной сигнализации, способного определять двухмерные координаты очага возгорания.
Ключевые слова: ПИРОМЕТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК, ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА, ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
Введение. Постановка задачи
Сложность физических процессов, предшествующих взрыву в угольных шахтах, существенно затрудняет его прогнозируемость и предотвращение. В этих условиях актуальной задачей является выявление начальной стадии развития взрыва. С этой задачей справляются оптические датчики, построенные по методу спектрального отношения [1]. Для увеличения эффективности локализации взрыва и уменьшения травмоопасности при инициировании взрывоподавляющих устройств необходимо спроектировать оптико-электронный прибор (ОЭП), который сможет определить как начало возгорания, так и его координаты.
1 Пирометрический датчик координат очага возгорания
Известен ОЭП, имеющий возможность определения координат очага возгорания (рисунок
1) [2].
1 - оптическая система; 2 - разделитель светового потока;
3, 4 - светофильтры; 5 - однокоординатные приемники излучения;
6 - блок микроконтроллера; 7 - блок питания Рисунок 1 - Структурная схема ОЭП с возможностью определения координат очага возгорания
на однокоординатных приемниках излучения
Оптико-электронный прибор регистрирует распределение мощности светового потока по вертикальной и горизонтальной осям с помощью приемников излучения, в качестве которых используются однокоординатные приемники излучения (ОПИ), расположенные перпендикулярно друг другу и оптической оси датчика. Причем каждый ОПИ регистрирует излучение в своем выделенном участке спектра. По сравнению со сканирующей системой на матричных многоэлементных приемниках использование двух ОПИ дает существенное повышение быстродействия пирометрического датчика в связи с меньшим временем опроса ОПИ при прочих равных условиях.
Однако простейшая оптическая система (собирающая линза) не дает возможности определения начальной стадии взрыва на краях охраняемой зоны.
2 Оптико-электронный прибор с однокоординатными приемниками излучения и цилиндрическими линзами
В связи с вышесказанным было предложено использовать оптическую систему, формирующую изображение в виде линий перпендикулярных ОПИ от любого точечного объекта возгорания. Для этого было предложено ввести цилиндрические линзы в оптическую систему ОЭП. Применение цилиндрических линз дает возможность обнаружения очага возгорания в широком угловом поле без «мертвых зон». Структурная схема оптической системы с цилиндрическими линзами для пирометрического датчика определения координат очага возгорания представлена на рисунке 2.
1 - собирающая линза; 2 - разделитель светового потока; 3 - цилиндрическая линза;
4 - ОПИ со светофильтрами Рисунок 2 - Структурная схема оптической системы ОЭП определения очага возгорания
с цилиндрическими линзами
Для уменьшения сферических аберраций необходимо собирающую линзу 1 и цилиндрические линзы 3 располагать выпуклой поверхностью к источнику излучения.
Для минимизации габаритных размеров ОЭП и уменьшения отражения части энергии обратно через линзу необходимо, чтобы разделитель светового потока 2 располагался под углом 450 к оптической оси датчика. В связи с этим расстояние от линзы до цилиндрической линзы должно быть не меньше, чем диаметр собирающей линзы ёшн.
3 Моделирование оптической системы с помощью программы Яетах
С целью определения геометрических размеров предложенной оптической системы и проверки ее работоспособности было выполнено моделирование с помощью программы 2етах. Проводилось моделирование распределения энергии в пятне, сфокусированном оптической системой, моделирование геометрических параметров системы и энергетический расчет.
3.1 Моделирование распределения энергии в пятне, сфокусированном оптической системой
На данном этапе необходимо рассчитать распределение энергии по длине пятна, получаемого от точечного очага возгорания.
Полупрозрачное зеркало образует два оптических тракта прохождения света: прямой и отраженный. В связи с идентичностью в качественном отношении этих двух трактов моделирование будем проводить на примере прямого тракта.
Используя возможности программы 2етах, оценим распределение энергии в пятне, сфокусированном оптической системой (рисунок 3).
В зависимости от расположения очага возгорания в угловом поле датчика ОПИ будет воспринимать лишь часть энергии пятна. Для определения рабочей части разобьем пятно на несколько равных участков (рисунок 4).
Рисунок 4 - Вариант разбиения пятна на равные участки
Энергию, пришедшую на участок 1, условно примем за 1 Вт. Из-за симметричности оптической системы участки, имеющие одинаковые номера, имеют одинаковую принятую мощность. В результате моделирования распределения энергии по длине пятна получены следующие значения энергии участков (таблица 1).
Таблица 1 - Распределение энергии по длине пятна
Номер участка 1 2 3 4 5 6 7
Энергия, Вт 1 0,97 0,94 0,82 0,74 0,54 0,15
Таким образом, при моделировании геометрических параметров оптической системы необходимо исключить возможность работы ОПИ в участках №6 и 7.
3.2 Моделирование оптической системы
С целью определения геометрических параметров оптической системы необходимо промоделировать ход лучей в ней. Моделирование выполнялось в общем виде относительно одного известного размера. В качестве известного размера был принят диаметр линзы бпин, поскольку его можно определить посредством энергетического расчета (п. 3.3).
Сформулируем условия, которые должны выполняться при проектировании оптической системы пирометрического датчика координат очага возгорания с цилиндрическими линзами:
- угловое поле датчика 2а =140;
- линза и цилиндрическая линза должны располагаться выпуклой поверхностью к источнику излучения;
- разделитель светового потока должен располагаться под углом 450 к оптической оси датчика;
- расстояние от линзы до цилиндрической линзы должно быть не меньше, чем диаметр линзы ёлин,
- должна быть достигнута максимальная сфокусированность (минимальные длина и ширина) пятна;
- должна быть достигнута максимальная равномерность пятна по всей его длине;
- ОПИ не должен захватывать края пятна (участки 6 и 7, рисунок 4);
- коэффициент преломления стекла -1,6;
- длина волны - 800 нм.
В результате моделирования была получена оптическая система, представленная на рисунке 5.
а б в
а - общий вид; б - вид пучка лучей со стороны приемника излучения при расположении очага возгорания в крайнем правом верхнем углу; в - вид пучка лучей со стороны приемника излучения при расположении очага возгорания на оптической оси системы
Рисунок 5 - Оптическая система и ход лучей через нее
Геометрические параметры оптической системы:
- радиус кривизны линзы - 4ёлин;
- расстояние от плоской части линзы до центра полупрозрачного зеркала - 0,5ёлин;
- расстояние от центра полупрозрачного зеркала до цилиндрической линзы - 0,5ёлин;
- ширина и высота цилиндрической линзы - 1,1ёлин;
- глубина цилиндрической линзы - 0,25ёлин;
- радиус кривизны цилиндрической линзы - 0,8ёлин;
- расстояние от цилиндрической линзы до приемника излучения - 0,8ёлин;
- ширина чувствительного слоя ОПИ - 0,04ёлин;
- длина чувствительного слоя ОПИ - 0,33ёлин.
3.3 Предварительный энергетический расчет
Диаметр линзы ёлин, являющийся исходным параметром моделирования (п. 3.2), определяется в результате предварительного энергетического расчета, исходя их характеристик предполагаемого очага возгорания и полученной оптической системы. Диаметр линзы снизу ограничен минимальным количеством энергии, необходимым для работоспособности ОПИ, а сверху - геометрическими размерами ОЭП. Предварительный энергетический расчет был проведен с помощью программы 2етах, которая позволяет задать мощность оптического излучения на входном зрачке, т.е. линзе, вычисляя при этом поток излучения на ОПИ.
Исходные данные для энергетического расчета:
- очаг возгорания является абсолютно черным телом;
- температура очага возгорания 600 оС (температура возгорания метана);
- видимая площадь очага 0,01 м2;
- расстояние до очага возгорания 10 м;
- коэффициент пропускания воздуха равен 1;
- коэффициент пропускания оптической системы равен 0,5 (учтено только полупрозрачное зеркало);
- светофильтр имеет длину волны 800 нм с шириной полосы пропускания ±5 нм.
В таблице 2 приведены результаты моделирования потока излучения, попадающего на приемник, для различных диаметров линзы. Расчеты проводились для случая, когда источник излучения находится на краю охраняемой зоны, и энергия, полученная от него приемником излучения, минимальна.
Таблица 2 - Поток энергии на ОПИ в зависимости от диаметра линзы
Диаметр линзы, мм 10 20 30 40 50
Поток излучения, попадающий на приемник, Вт 6,010-13 2,310-12 5,310-12 9,410-12 1,410-11
Поток излучения через линзу диаметром 10 мм уже достаточен для регистрации его кремниевым ОПИ, у которого порог чувствительности в единичной полосе частот не превышает
10-14Вт/д/Гц . Однако для наихудшего случая, когда степень черноты источника возгорания
равна 0,1 и коэффициент пропускания среды равен 0,1, необходимо принять стократный запас, выбрав при этом диаметр линзы более 20 мм.
Таким образом, предложенная конструкция оптической системы ОЭП позволяет определять координаты очага возгорания на начальной стадии развития и исключать при этом «мертвые зоны». Разработана модель, подтверждающая работоспособность оптической системы и позволяющая определять ее геометрические параметры, необходимые для изготовления ОЭП.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Пат. 2109345 Росийская Федерация, МПК6 С 08 В 17/12. Пирометрический датчик пожарной сигнализации [Текст] / Леонов Г.В., Станкевич Ю.П., Каширин С.И.; заявитель и патентообладатель Бийский технологический ин-т Алт. гос. тех-го ун-та им. И.И.Ползунова. - №95117261/12; заявл. 10.10.95; опубл. 20.04.98, Бюл. №31.
2 Пат. 2318242 Росийская Федерация, МПК7 С 08 В 17/12. Пирометрический датчик координат очага возгорания [Текст] / Сыпин Е.В., Терентьев С.А., Павлов А.Н., Леонов Г.В., Повернов Е.С.; заявитель и патентообладатель ГОУВПО Алт. гос. тех. ун-т им. И.И.Ползунова. -№2006137378/09; заявл. 23.10.06; опубл. 27.02.08.
PROJECTING OF OPTICAL SYSTEM WITH CYLINDRICAL LENSES OF PYROMETRIC SENSOR OF COMBUSTION POINT POSITION DETERMINATION
S.A. Terentiev, Ye.V. Sypin, Ye.Ya. Ku-liavtsev, R.I. Kuimov, V.G. Kazantsev
Fire detection system sensor calculation is described, which will be able to detect twodimensional coordinates of combustion point
Key words: PYROMETRIC SENSOR, OPTICAL SYSTEM, FIRE SAFETY
Терентьев Сергей Александрович e-mail: [email protected] Сыпин Евгений Викторович e-mail: [email protected] Кулявцев Евгений Яковлевич e-mail: [email protected] Куимов Роман Иванович e-mail: [email protected] Казанцев Владимир Георгиевич e-mail: [email protected]
