Помощь студентам в учебе
ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИБОР ДВУХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ОТНОШЕНИЙ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВЗРЫВООПАСНОЙ ПЫЛЕГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЫ
|
Введение 6
1 Аналитический обзор способов и средств обнаружения очагов возгорания на ранней стадии в газодисперсной системе и факторов, влияющих на их работу .... 12
1.1 Возникновение очагов возгорания и средства их обнаружения на ранней
стадии в газодисперсной системе 12
1.1.1 Физические явления, сопровождающие очаг возгорания 12
1.1.2 Существующие средства обнаружения очагов возгорания в
газодисперсной среде (на примере угольной шахты) 14
1.1.2.1 Датчики давления 14
1.1.2.2 Датчики дыма 15
1.1.2.3 Датчики контроля газового состава атмосферы 16
1.1.2.4 Тепловые контактные датчики 18
1.1.2.5 Оптико-электронные датчики 19
1.2 Влияние промежуточной среды в угольной шахте на обнаружение очага
возгорания пирометрическим методом 21
1.2.1 Состав промежуточной газодисперсной среды 22
1.2.2 Оптические свойства промежуточной газодисперсной среды 24
1.2.2.1 Поглощение промежуточной средой 24
1.2.2.2 Рассеяние энергии излучения частицами промежуточной среды 27
1.2.2.3 Собственное излучение частиц промежуточной среды 29
1.3 Внешние оптические помехи (на примере угольной шахты) 30
1.3.1 Источники искусственного освещения шахты 30
1.3.2 Тепловое излучение нагретых объектов шахты 34
1.3.3 Тепловое излучение обслуживающего персонала шахты 36
1.4 Способы повышения достоверности принятия решения о возгорании
оптико-электронным прибором контроля взрывоопасной атмосферы 36
1.4.1 Использование программной избыточности 37
1.4.2 Использование аппаратной избыточности 38
1.4.2.1 Использование дополнительного радиационного канала 38
1.4.2.2 Использование дополнительного монохроматического канала .. 40
1.4.2.3 Использование нескольких спектральных отношений 41
2 Разработка теоретических принципов и технических решений построения оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для контроля
взрывоопасной пылегазовой атмосферы 44
2.1 Обзор параметров контролируемого объекта. Технические требования к
разрабатываемому прибору 44
2.2 Разработка структурной схемы оптико-электронного прибора двух
спектральных отношений 49
2.3 Оптическая система прибора 50
2.3.1 Выбор схемы построения оптической системы 51
2.3.2 Влияние алгоритма принятия решения о возникновении очага
возгорания на структуру оптической системы 56
2.3.3 Компьютерное моделирование оптической системы 58
2.3.3.1 Модель источника излучения 59
2.3.3.2 Энергетическая подмодель функционирования оптикоэлектронного прибора двух спектральных отношений 63
2.3.3.3 Геометрическая подмодель расположения компонентов
оптической системы 76
2.4 Электронная часть прибора 101
2.4.1 Блок приёма и усиления 101
2.4.2 Блок управления и принятия решения 102
2.5 Программное обеспечение прибора 103
2.5.1 Программа управления прибором 103
2.5.2 Компьютерная программа управления лабораторным образцом
прибора 105
2.6 Техническая реализация оптико-электронного прибора двух спектральных
отношений 106
3 Исследование основных параметров лабораторного образца оптико - электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы 110
3.1 Разработка стенда для лабораторного исследования оптико-электронных
приборов обнаружения начальной стадии возгорания 111
3.2 Методики определения основных параметров оптико-электронного
прибора двух спектральных отношений в лабораторных условиях 114
3.2.1 Методики определения вероятности обнаружения очага возгорания в
отсутствие/присутствии оптических помех и вероятности ложного срабатывания 116
3.2.2 Методика определения порога чувствительности по температуре ... 121
3.2.3 Методика определения углового поля 125
3.3 Результаты исследования лабораторного образца оптико-электронного
прибора двух спектральных отношений 129
3.3.1 Вероятность обнаружения очага возгорания и вероятность ложного
срабатывания 129
3.3.2 Порог чувствительности по температуре 131
3.3.3 Угловое поле 133
4 Экспериментальное исследование оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для обнаружения очагов возгорания на ранней стадии в газодисперсной среде в условиях, близких к реальным 137
4.1 Методики экспериментального определения параметров оптико
электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы в условиях близких к реальным 142
4.1.1 Методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в
отсутствие/присутствии оптических помех 142
4.1.2 Методика определения времени обнаружения очага возгорания 143
4.2 Результаты определения параметров оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы
в условиях близких к реальным 146
Заключение 149
Список использованных источников 151
Приложение А. Акты внедрения 162
1 Аналитический обзор способов и средств обнаружения очагов возгорания на ранней стадии в газодисперсной системе и факторов, влияющих на их работу .... 12
1.1 Возникновение очагов возгорания и средства их обнаружения на ранней
стадии в газодисперсной системе 12
1.1.1 Физические явления, сопровождающие очаг возгорания 12
1.1.2 Существующие средства обнаружения очагов возгорания в
газодисперсной среде (на примере угольной шахты) 14
1.1.2.1 Датчики давления 14
1.1.2.2 Датчики дыма 15
1.1.2.3 Датчики контроля газового состава атмосферы 16
1.1.2.4 Тепловые контактные датчики 18
1.1.2.5 Оптико-электронные датчики 19
1.2 Влияние промежуточной среды в угольной шахте на обнаружение очага
возгорания пирометрическим методом 21
1.2.1 Состав промежуточной газодисперсной среды 22
1.2.2 Оптические свойства промежуточной газодисперсной среды 24
1.2.2.1 Поглощение промежуточной средой 24
1.2.2.2 Рассеяние энергии излучения частицами промежуточной среды 27
1.2.2.3 Собственное излучение частиц промежуточной среды 29
1.3 Внешние оптические помехи (на примере угольной шахты) 30
1.3.1 Источники искусственного освещения шахты 30
1.3.2 Тепловое излучение нагретых объектов шахты 34
1.3.3 Тепловое излучение обслуживающего персонала шахты 36
1.4 Способы повышения достоверности принятия решения о возгорании
оптико-электронным прибором контроля взрывоопасной атмосферы 36
1.4.1 Использование программной избыточности 37
1.4.2 Использование аппаратной избыточности 38
1.4.2.1 Использование дополнительного радиационного канала 38
1.4.2.2 Использование дополнительного монохроматического канала .. 40
1.4.2.3 Использование нескольких спектральных отношений 41
2 Разработка теоретических принципов и технических решений построения оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для контроля
взрывоопасной пылегазовой атмосферы 44
2.1 Обзор параметров контролируемого объекта. Технические требования к
разрабатываемому прибору 44
2.2 Разработка структурной схемы оптико-электронного прибора двух
спектральных отношений 49
2.3 Оптическая система прибора 50
2.3.1 Выбор схемы построения оптической системы 51
2.3.2 Влияние алгоритма принятия решения о возникновении очага
возгорания на структуру оптической системы 56
2.3.3 Компьютерное моделирование оптической системы 58
2.3.3.1 Модель источника излучения 59
2.3.3.2 Энергетическая подмодель функционирования оптикоэлектронного прибора двух спектральных отношений 63
2.3.3.3 Геометрическая подмодель расположения компонентов
оптической системы 76
2.4 Электронная часть прибора 101
2.4.1 Блок приёма и усиления 101
2.4.2 Блок управления и принятия решения 102
2.5 Программное обеспечение прибора 103
2.5.1 Программа управления прибором 103
2.5.2 Компьютерная программа управления лабораторным образцом
прибора 105
2.6 Техническая реализация оптико-электронного прибора двух спектральных
отношений 106
3 Исследование основных параметров лабораторного образца оптико - электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы 110
3.1 Разработка стенда для лабораторного исследования оптико-электронных
приборов обнаружения начальной стадии возгорания 111
3.2 Методики определения основных параметров оптико-электронного
прибора двух спектральных отношений в лабораторных условиях 114
3.2.1 Методики определения вероятности обнаружения очага возгорания в
отсутствие/присутствии оптических помех и вероятности ложного срабатывания 116
3.2.2 Методика определения порога чувствительности по температуре ... 121
3.2.3 Методика определения углового поля 125
3.3 Результаты исследования лабораторного образца оптико-электронного
прибора двух спектральных отношений 129
3.3.1 Вероятность обнаружения очага возгорания и вероятность ложного
срабатывания 129
3.3.2 Порог чувствительности по температуре 131
3.3.3 Угловое поле 133
4 Экспериментальное исследование оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для обнаружения очагов возгорания на ранней стадии в газодисперсной среде в условиях, близких к реальным 137
4.1 Методики экспериментального определения параметров оптико
электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы в условиях близких к реальным 142
4.1.1 Методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в
отсутствие/присутствии оптических помех 142
4.1.2 Методика определения времени обнаружения очага возгорания 143
4.2 Результаты определения параметров оптико-электронного прибора двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы
в условиях близких к реальным 146
Заключение 149
Список использованных источников 151
Приложение А. Акты внедрения 162
Актуальность темы исследования. Ряд промышленных предприятий характеризуется наличием взрывоопасной пылегазовой атмосферы. Типичный пример таких предприятий - угольные шахты. В рудничной атмосфере выработки присутствуют метан и угольная пыль, которые в смеси с воздухом образуют взрывчатые системы. Внедрение активных систем пожаротушения является единственной мерой, способной существенно повысить уровень безопасности угольных шахт при сравнительно небольших затратах.
Основным компонентом активных систем пожаротушения является прибор, реагирующий на какое-либо явление, сопровождающее очаг возгорания, и выдающий управляющий сигнал на устройство пожаротушения. Свою перспективность для использования в подобных системах показали оптико-электронные приборы (ОЭП) контроля. Используемый ОЭП должен обладать совокупностью следующих свойств: высокое быстродействие, нечувствительность к запылённости атмосферы и воздействию источников оптического излучения, которые могут быть восприняты прибором как очаг возгорания (ложное срабатывание) или же на фоне которых очаг возгорания не будет обнаружен прибором (пропуск возгорания). Обзор существующих ОЭП контроля выявил, что при проектировании ОЭП контроля рудничной атмосферы недостаточно учитывается фактор внешних оптических помех, в качестве которых выступает любой посторонний источник теплового излучения, будь то источник искусственного освещения или рабочие предприятия. Как следствие, системы безопасности на основе ОЭП контроля, устанавливаемые в настоящее время на горнодобывающих предприятиях, неспособны в должной мере обеспечить обнаружение очага возгорания в присутствии оптических помех. В связи с этим разработка принципов построения и создание быстродействующего ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, нечувствительного к запылённости промежуточной атмосферы и имеющего высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное экономическое и хозяйственное значение.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в проработку методов проектирования ОЭП внесли такие учёные, как Свет Д.Я., Поскачей А.А., Чубаров Е.П., Мирошников М.М., Якушенков Ю.Г. Их работы содержат фундаментальные основы проектирования и расчёта ОЭП для различных областей, в том числе рассматривается возможность построения многоканальных ОЭП и систем. Проблемы борьбы со взрывами пыли и газа на горнодобывающих предприятиях освещены в работах Шевцова Н.Р., Нецепляева М.И., Осипова С.Н. и других учёных, работы которых в значительной мере способствовали изучению вопросов возникновения очага возгорания, процессов его развития и способов локализации. В настоящее время работы в области промышленной безопасности горнодобывающих предприятий ведутся в АО «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово). Анализ трудов указанных учёных показал, что в них не рассматриваются вопросы создания ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, сочетающих в себе высокое быстродействие, нечувствительность к оптическим помехам и наличию пыли в промежуточной среде.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка принципов построения и создание быстродействующего ОЭП двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, имеющего высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех и нечувствительного к наличию пыли в промежуточной среде.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие частные задачи:
1) разработать теоретические принципы построения ОЭП двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы;
2) на основе компьютерного моделирования выработать технические решения для построения ОЭП двух спектральных отношений;
3) разработать стенд для исследования спроектированного прибора в лабораторных условиях и определить значения основных параметров прибора, разработав соответствующие методики;
4) проанализировать возможность использования прибора в промышленных условиях, проведя исследование в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы является очаг возгорания метано-пылегазовоздушной смеси на начальной стадии и источники оптических помех в виде лампы накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп.
Предметом исследования настоящей диссертационной работы является быстродействующий ОЭП контроля для обнаружения очага возгорания на ранней стадии во взрывоопасной пылегазовой атмосфере, нечувствительный к оптическим помехам и наличию пыли в промежуточной среде.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы пирометрии спектрального отношения, параксиальной оптики, аналитической геометрии, математического анализа, цифровой обработки информации, планирования и постановки эксперимента, статистической обработки и анализа экспериментальных данных.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1) предложен новый принцип построения ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, основанный на измерении потока теплового излучения в трёх диапазонах спектра, вычислении двух спектральных отношений, на основе которых принимается решение о наличии или отсутствии очага возгорания в поле зрения ОЭП при времени обнаружения очага возгорания не более 5 мс, вероятности обнаружения не менее 0,95 в условиях запылённой промежуточной атмосферы и присутствии оптических помех;
2) предложена и разработана математическая модель оптической системы ОЭП двух спектральных отношений, позволяющая выполнять энергетический и геометрический расчёты по заданному отношению сигнал-шум и значению углового поля с учётом параметров очага возгорания, источников помех и промежуточной среды;
3) предложены новые конструкционные (измерительный стенд) и методологические (комплекс методик) подходы, позволяющие определять угловое поле прибора, порог чувствительности, вероятность обнаружения очага возгорания и вероятность ложного срабатывания в отсутствие/присутствии внешних оптических помех;
4) разработаны методики экспериментального определения времени срабатывания, вероятности обнаружения очага возгорания и вероятности ложного срабатывания в отсутствие/присутствии внешних оптических помех ОЭП двух спектральных отношений в условиях, близких к реальным.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения быстродействующих ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы нечувствительный к запылённости промежуточной среды с возможностью работы в присутствии внешних оптических помех (источников искусственного освещения и рабочих предприятия). Предложенный в работе стенд для исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания является универсальным средством для проверки параметров ОЭП обнаружения очага возгорания и может использоваться при разработке новых приборов и модификации уже существующих. Основные результаты диссертационной работы использовались при выполнении работ в рамках программ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере: У.М.Н.И.К. (гос. контракт № 8742р/13987 от 02.12.2010, тема - «Разработка активной системы обнаружения и подавления очага возгорания») и СТАРТ (гос. контракт № 12502р/23958 от 28.02.2014, тема - «Разработка и исследование активной системы раннего обнаружения и подавления очага возгорания»). Материалы диссертационной работы, касающиеся исследования ОЭП контроля в лабораторных условиях и условиях близких к реальным, внедрены в учебный процесс по дисциплине «Основы оптико-электронных приборов и систем» на кафедре методов и средств измерений и автоматизации БТИ АлтГТУ.
Положения, выдвигаемые на защиту:
1) принцип построения ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, основанный на вычислении двух спектральных отношений для трёх диапазонов спектра, обеспечивающий время обнаружения очага возгорания не более 5 мс, вероятность обнаружения не менее 0,95 в условиях запылённой промежуточной атмосферы и присутствии оптических помех;
2) математическая модель трёхканальной оптической системы ОЭП двух спектральных отношений на основе раздельных объективов каналов, состоящая из энергетической подмодели функционирования и геометрической подмодели расположения оптических компонентов;
3) стенд для лабораторного исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания;
4) комплекс методик определения технических параметров ОЭП двух спектральных отношений в лабораторных условиях и в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.
Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью теоретических расчётов и результатов компьютерного моделирования с результатами их экспериментальной проверки в лабораторных условиях и в условиях, близких к реальным; использованием откалиброванной и поверенной измерительной аппаратуры, систематическим характером исследований.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на XVII Международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2012 г., 2016 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2010— 2014 гг.), International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (г. Новосибирск, 2009-2016 гг.). Автор диссертационной работы в составе коллектива отмечена премией Алтайского края в области науки и техники за работу «Снижение риска и последствий техногенных катастроф на объектах со взрывоопасными газодисперсными средами» (2011 г.).
Личный вклад автора состоит в разработке нового принципа построения ОЭП контроля и математической модели трёхканальной оптической системы с раздельными объективами каналов, создании стенда для лабораторного исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания и разработке комплекса методик для определения параметров прибора как в лабораторных условиях, так и в условиях близких к реальным. Автор принимала непосредственное участие в создании действующего образца ОЭП двух спектральных отношений, проведении экспериментальных исследований и получении новых экспериментальных данных, характеризующих функциональные возможности разработанного прибора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, из них 6 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК, 5 в свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ, 31 статья в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций, методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Основы оптико-электронных приборов и систем», отчёт о НИОКР.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований. Общий объем работы составляет 164 страницы машинописного текста. Работа содержит 19 таблиц, 50 рисунков.
Основным компонентом активных систем пожаротушения является прибор, реагирующий на какое-либо явление, сопровождающее очаг возгорания, и выдающий управляющий сигнал на устройство пожаротушения. Свою перспективность для использования в подобных системах показали оптико-электронные приборы (ОЭП) контроля. Используемый ОЭП должен обладать совокупностью следующих свойств: высокое быстродействие, нечувствительность к запылённости атмосферы и воздействию источников оптического излучения, которые могут быть восприняты прибором как очаг возгорания (ложное срабатывание) или же на фоне которых очаг возгорания не будет обнаружен прибором (пропуск возгорания). Обзор существующих ОЭП контроля выявил, что при проектировании ОЭП контроля рудничной атмосферы недостаточно учитывается фактор внешних оптических помех, в качестве которых выступает любой посторонний источник теплового излучения, будь то источник искусственного освещения или рабочие предприятия. Как следствие, системы безопасности на основе ОЭП контроля, устанавливаемые в настоящее время на горнодобывающих предприятиях, неспособны в должной мере обеспечить обнаружение очага возгорания в присутствии оптических помех. В связи с этим разработка принципов построения и создание быстродействующего ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, нечувствительного к запылённости промежуточной атмосферы и имеющего высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех, является актуальной научно-технической задачей, имеющей важное экономическое и хозяйственное значение.
Степень разработанности темы. Существенный вклад в проработку методов проектирования ОЭП внесли такие учёные, как Свет Д.Я., Поскачей А.А., Чубаров Е.П., Мирошников М.М., Якушенков Ю.Г. Их работы содержат фундаментальные основы проектирования и расчёта ОЭП для различных областей, в том числе рассматривается возможность построения многоканальных ОЭП и систем. Проблемы борьбы со взрывами пыли и газа на горнодобывающих предприятиях освещены в работах Шевцова Н.Р., Нецепляева М.И., Осипова С.Н. и других учёных, работы которых в значительной мере способствовали изучению вопросов возникновения очага возгорания, процессов его развития и способов локализации. В настоящее время работы в области промышленной безопасности горнодобывающих предприятий ведутся в АО «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово). Анализ трудов указанных учёных показал, что в них не рассматриваются вопросы создания ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, сочетающих в себе высокое быстродействие, нечувствительность к оптическим помехам и наличию пыли в промежуточной среде.
Цель и задачи работы. Целью работы является разработка принципов построения и создание быстродействующего ОЭП двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, имеющего высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех и нечувствительного к наличию пыли в промежуточной среде.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие частные задачи:
1) разработать теоретические принципы построения ОЭП двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы;
2) на основе компьютерного моделирования выработать технические решения для построения ОЭП двух спектральных отношений;
3) разработать стенд для исследования спроектированного прибора в лабораторных условиях и определить значения основных параметров прибора, разработав соответствующие методики;
4) проанализировать возможность использования прибора в промышленных условиях, проведя исследование в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы является очаг возгорания метано-пылегазовоздушной смеси на начальной стадии и источники оптических помех в виде лампы накаливания, светодиодных и люминесцентных ламп.
Предметом исследования настоящей диссертационной работы является быстродействующий ОЭП контроля для обнаружения очага возгорания на ранней стадии во взрывоопасной пылегазовой атмосфере, нечувствительный к оптическим помехам и наличию пыли в промежуточной среде.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы пирометрии спектрального отношения, параксиальной оптики, аналитической геометрии, математического анализа, цифровой обработки информации, планирования и постановки эксперимента, статистической обработки и анализа экспериментальных данных.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
1) предложен новый принцип построения ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, основанный на измерении потока теплового излучения в трёх диапазонах спектра, вычислении двух спектральных отношений, на основе которых принимается решение о наличии или отсутствии очага возгорания в поле зрения ОЭП при времени обнаружения очага возгорания не более 5 мс, вероятности обнаружения не менее 0,95 в условиях запылённой промежуточной атмосферы и присутствии оптических помех;
2) предложена и разработана математическая модель оптической системы ОЭП двух спектральных отношений, позволяющая выполнять энергетический и геометрический расчёты по заданному отношению сигнал-шум и значению углового поля с учётом параметров очага возгорания, источников помех и промежуточной среды;
3) предложены новые конструкционные (измерительный стенд) и методологические (комплекс методик) подходы, позволяющие определять угловое поле прибора, порог чувствительности, вероятность обнаружения очага возгорания и вероятность ложного срабатывания в отсутствие/присутствии внешних оптических помех;
4) разработаны методики экспериментального определения времени срабатывания, вероятности обнаружения очага возгорания и вероятности ложного срабатывания в отсутствие/присутствии внешних оптических помех ОЭП двух спектральных отношений в условиях, близких к реальным.
Практическая значимость. Результаты диссертационной работы могут быть использованы для построения быстродействующих ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы нечувствительный к запылённости промежуточной среды с возможностью работы в присутствии внешних оптических помех (источников искусственного освещения и рабочих предприятия). Предложенный в работе стенд для исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания является универсальным средством для проверки параметров ОЭП обнаружения очага возгорания и может использоваться при разработке новых приборов и модификации уже существующих. Основные результаты диссертационной работы использовались при выполнении работ в рамках программ Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере: У.М.Н.И.К. (гос. контракт № 8742р/13987 от 02.12.2010, тема - «Разработка активной системы обнаружения и подавления очага возгорания») и СТАРТ (гос. контракт № 12502р/23958 от 28.02.2014, тема - «Разработка и исследование активной системы раннего обнаружения и подавления очага возгорания»). Материалы диссертационной работы, касающиеся исследования ОЭП контроля в лабораторных условиях и условиях близких к реальным, внедрены в учебный процесс по дисциплине «Основы оптико-электронных приборов и систем» на кафедре методов и средств измерений и автоматизации БТИ АлтГТУ.
Положения, выдвигаемые на защиту:
1) принцип построения ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, основанный на вычислении двух спектральных отношений для трёх диапазонов спектра, обеспечивающий время обнаружения очага возгорания не более 5 мс, вероятность обнаружения не менее 0,95 в условиях запылённой промежуточной атмосферы и присутствии оптических помех;
2) математическая модель трёхканальной оптической системы ОЭП двух спектральных отношений на основе раздельных объективов каналов, состоящая из энергетической подмодели функционирования и геометрической подмодели расположения оптических компонентов;
3) стенд для лабораторного исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания;
4) комплекс методик определения технических параметров ОЭП двух спектральных отношений в лабораторных условиях и в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации.
Достоверность полученных результатов подтверждается согласованностью теоретических расчётов и результатов компьютерного моделирования с результатами их экспериментальной проверки в лабораторных условиях и в условиях, близких к реальным; использованием откалиброванной и поверенной измерительной аппаратуры, систематическим характером исследований.
Апробация работы. Основные положения и практические результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на XVII Международной научнопрактической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2011 г.), Международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2012 г., 2016 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2010— 2014 гг.), International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (г. Новосибирск, 2009-2016 гг.). Автор диссертационной работы в составе коллектива отмечена премией Алтайского края в области науки и техники за работу «Снижение риска и последствий техногенных катастроф на объектах со взрывоопасными газодисперсными средами» (2011 г.).
Личный вклад автора состоит в разработке нового принципа построения ОЭП контроля и математической модели трёхканальной оптической системы с раздельными объективами каналов, создании стенда для лабораторного исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания и разработке комплекса методик для определения параметров прибора как в лабораторных условиях, так и в условиях близких к реальным. Автор принимала непосредственное участие в создании действующего образца ОЭП двух спектральных отношений, проведении экспериментальных исследований и получении новых экспериментальных данных, характеризующих функциональные возможности разработанного прибора.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 44 научные работы, из них 6 работ опубликовано в изданиях, входящих в перечень ВАК, 5 в свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ, 31 статья в сборниках трудов международных и всероссийских научно-технических конференций, методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по курсу «Основы оптико-электронных приборов и систем», отчёт о НИОКР.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованных источников из 115 наименований. Общий объем работы составляет 164 страницы машинописного текста. Работа содержит 19 таблиц, 50 рисунков.
В процессе диссертационного исследования:
1) Предложен новый принцип построения быстродействующего ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, обеспечивающий высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех и нечувствительность к наличию пыли в промежуточной среде. Принцип основан на измерении потока теплового излучения в трёх диапазонах спектра, вычислении двух спектральных отношений, на основе которых принимается решение о наличии или отсутствии очага возгорания в поле зрения ОЭП.
2) Для оптической системы предложенного ОЭП двух спектральных отношений разработана математическая модель, позволяющая выполнять энергетический и геометрический расчёты по заданному отношению сигнал-шум и значению углового поля с учётом параметров очага возгорания, источников помех и промежуточной среды. Математическая модель реализована в виде совокупности компьютерных программ. В результате компьютерного моделирования были определены рабочие спектральные диапазоны каналов прибора, конструктивные параметры компонентов оптической системы и их взаимное расположение, что позволило выбрать конкретные оптические компоненты.
3) Проведено исследование спроектированного и изготовленного ОЭП двух спектральных отношений в лабораторных условиях, для чего был разработан стенд для исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания и разработаны следующие методики:
- методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в от- сутствие/присутствии оптических помех;
- методика определения вероятности ложного срабатывания;
- методика определения порога чувствительности по температуре;
- методика определения углового поля.
4) Проведены испытания созданного ОЭП двух спектральных отношений в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации. Для проведения испытаний разработана методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в отсутствие/присутствии оптических помех и методика определения времени обнаружения очага возгорания.
5) Проведённые исследования в лабораторных условиях и условиях близких к реальным показали, что разработанный прибор имеет следующие параметры:
- угловое поле, градусы 10 ± 1;
- дальность действия, м 10;
- порог чувствительности по температуре, °С 688;
- время обнаружения очага возгорания, мс 2,9 ± 0,7;
- вероятность обнаружения очага возгорания в присутствии внешних
оптических помех (источник помехи - лампа накаливания) 0,95;
- вероятность ложного срабатывания (источник помехи -
лампа накаливания) 0,05.
1) Предложен новый принцип построения быстродействующего ОЭП контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы, обеспечивающий высокую вероятность обнаружения очага возгорания на ранней стадии в присутствии источников внешних оптических помех и нечувствительность к наличию пыли в промежуточной среде. Принцип основан на измерении потока теплового излучения в трёх диапазонах спектра, вычислении двух спектральных отношений, на основе которых принимается решение о наличии или отсутствии очага возгорания в поле зрения ОЭП.
2) Для оптической системы предложенного ОЭП двух спектральных отношений разработана математическая модель, позволяющая выполнять энергетический и геометрический расчёты по заданному отношению сигнал-шум и значению углового поля с учётом параметров очага возгорания, источников помех и промежуточной среды. Математическая модель реализована в виде совокупности компьютерных программ. В результате компьютерного моделирования были определены рабочие спектральные диапазоны каналов прибора, конструктивные параметры компонентов оптической системы и их взаимное расположение, что позволило выбрать конкретные оптические компоненты.
3) Проведено исследование спроектированного и изготовленного ОЭП двух спектральных отношений в лабораторных условиях, для чего был разработан стенд для исследования ОЭП обнаружения начальной стадии возгорания и разработаны следующие методики:
- методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в от- сутствие/присутствии оптических помех;
- методика определения вероятности ложного срабатывания;
- методика определения порога чувствительности по температуре;
- методика определения углового поля.
4) Проведены испытания созданного ОЭП двух спектральных отношений в условиях, приближенных к реальным условиям эксплуатации. Для проведения испытаний разработана методика определения вероятности обнаружения очага возгорания в отсутствие/присутствии оптических помех и методика определения времени обнаружения очага возгорания.
5) Проведённые исследования в лабораторных условиях и условиях близких к реальным показали, что разработанный прибор имеет следующие параметры:
- угловое поле, градусы 10 ± 1;
- дальность действия, м 10;
- порог чувствительности по температуре, °С 688;
- время обнаружения очага возгорания, мс 2,9 ± 0,7;
- вероятность обнаружения очага возгорания в присутствии внешних
оптических помех (источник помехи - лампа накаливания) 0,95;
- вероятность ложного срабатывания (источник помехи -
лампа накаливания) 0,05.
Подобные работы
- Исследование воздействия динамических оптических помех на
быстродействующие оптико-электронные приборы обнаружения
возгорания
Дипломные работы, ВКР, электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 4770 р. Год сдачи: 2019