Помощь студентам в учебе
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩАЯ МНОГОТОЧЕЧНАЯ ОПТИКО- ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 13
1.1 Пожаровзрывоопасность промышленных объектов 13
1.1.1 Анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой
промышленности 13
1.1.2 Анализ пожаровзрывоопасности угольных шахт 16
1.1.3 Механизмы образования и распространения волны горения горючей
смеси 19
1.2 Методы и технические средства обнаружения и локализации взрывов 21
1.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с высокой
инерционностью 22
1.2.2 Методы и средства контроля обнаружения и локализации взрывов с
высоким быстродействием 23
1.2.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов без
определения его пространственного расположения 24
1.2.2.2 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с
определением его пространственного расположения 26
1.3 Выводы по главе 1 33
2 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ 34
2.1 Требования к техническим параметрам разрабатываемой системы 34
2.2 Принцип построения системы 36
2.3 Методы определения координат пламени 39
2.3.1 Решение задачи определения координат пламени на основе метода многофакторной полиномиальной регрессии 42
2.3.2 Решение задачи определения координат пламени на основе метода
регрессии нейронными сетями 44
2.3.3 Решение задачи определения координат пламени с использованием
численных методов решения нелинейных уравнений 47
2.4 Сравнение методов определения пространственных координат пламени ... 50
2.4.1 Методика исследования методов определения пространственных
координат пламени 51
2.4.2 Исходные данные для расчета выходных сигналов НОЭД 52
2.4.2.1 Расположение точек контроля на охраняемом объекте 54
2.4.3 Исследование методов определения пространственных координат
пламени 57
2.5 Адаптация системы под объект заданной формы 59
2.5.1 Алгоритм адаптации системы 60
2.5.2 Проверка алгоритма адаптации системы для помещений сложной
формы 65
2.6 Выводы по главе 2 68
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ... 70
3.1 Разработка структурной схемы системы 70
3.2 Разработка некоординатного оптико-электронного датчика системы 71
3.2.1 Применение компенсационного метода подавления оптических помех в
оптико-электронном датчике 72
3.2.2 Определение оптимальных спектральных диапазонов контроля для
оптико-электронного датчика системы 74
3.2.2.1 Методика определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля 74
3.2.2.2 Анализ спектральных характеристик излучения пламени и
источников оптических помех 75
3.2.2.3 Выбор фотоприемников для контроля излучения пламени и
оптических помех 77
3.2.2.4 Расчет критериев оптимальности для спектральных диапазонов
контроля 79
3.2.2.5 Результаты определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля излучения пламени 82
3.2.3 Структурная схема оптико-электронного датчика системы 84
3.2.4 Алгоритм работы управляющей программы микроконтроллера для
оптико-электронного датчика 88
3.3 Высокоскоростная сеть передачи данных между оптико-электронными
датчиками и блоком обработки данных 90
3.4 Блок обработки данных системы 91
3.5 Выводы по главе 3 94
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ
МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ... 95
4.1 Исследование параметров НОЭД 96
4.1.1 Расстояние обнаружения тестовых очагов пожара НОЭД 96
4.1.2 Угол обзора НОЭД 98
4.1.3 Помехоустойчивость НОЭД к оптическим помехам 101
4.1.3.1 Исследование воздействия оптической помехи в статическом
режиме 103
4.1.3.2 Исследование помехоустойчивости при одновременном
воздействии полезного сигнала и помехи 107
4.1.3.3 Исследование помехоустойчивости при модуляции излучения
лампы накаливания 110
4.2 Исследование параметров системы 114
4.2.1 Быстродействие системы 114
4.2.1.1 Экспериментальная установка для исследования системы 114
4.2.1.2 Методика проведения экспериментального исследования 117
4.2.2 Исследование точности определения пространственных координат
пламени 120
4.2.2.1 Экспериментальный стенд для исследования точности 120
4.2.2.2 Методика экспериментального исследования 121
4.2.2.3 Результаты исследования 123
4.3 Выводы по главе 4 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 143
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 13
1.1 Пожаровзрывоопасность промышленных объектов 13
1.1.1 Анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой
промышленности 13
1.1.2 Анализ пожаровзрывоопасности угольных шахт 16
1.1.3 Механизмы образования и распространения волны горения горючей
смеси 19
1.2 Методы и технические средства обнаружения и локализации взрывов 21
1.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с высокой
инерционностью 22
1.2.2 Методы и средства контроля обнаружения и локализации взрывов с
высоким быстродействием 23
1.2.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов без
определения его пространственного расположения 24
1.2.2.2 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с
определением его пространственного расположения 26
1.3 Выводы по главе 1 33
2 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ 34
2.1 Требования к техническим параметрам разрабатываемой системы 34
2.2 Принцип построения системы 36
2.3 Методы определения координат пламени 39
2.3.1 Решение задачи определения координат пламени на основе метода многофакторной полиномиальной регрессии 42
2.3.2 Решение задачи определения координат пламени на основе метода
регрессии нейронными сетями 44
2.3.3 Решение задачи определения координат пламени с использованием
численных методов решения нелинейных уравнений 47
2.4 Сравнение методов определения пространственных координат пламени ... 50
2.4.1 Методика исследования методов определения пространственных
координат пламени 51
2.4.2 Исходные данные для расчета выходных сигналов НОЭД 52
2.4.2.1 Расположение точек контроля на охраняемом объекте 54
2.4.3 Исследование методов определения пространственных координат
пламени 57
2.5 Адаптация системы под объект заданной формы 59
2.5.1 Алгоритм адаптации системы 60
2.5.2 Проверка алгоритма адаптации системы для помещений сложной
формы 65
2.6 Выводы по главе 2 68
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ... 70
3.1 Разработка структурной схемы системы 70
3.2 Разработка некоординатного оптико-электронного датчика системы 71
3.2.1 Применение компенсационного метода подавления оптических помех в
оптико-электронном датчике 72
3.2.2 Определение оптимальных спектральных диапазонов контроля для
оптико-электронного датчика системы 74
3.2.2.1 Методика определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля 74
3.2.2.2 Анализ спектральных характеристик излучения пламени и
источников оптических помех 75
3.2.2.3 Выбор фотоприемников для контроля излучения пламени и
оптических помех 77
3.2.2.4 Расчет критериев оптимальности для спектральных диапазонов
контроля 79
3.2.2.5 Результаты определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля излучения пламени 82
3.2.3 Структурная схема оптико-электронного датчика системы 84
3.2.4 Алгоритм работы управляющей программы микроконтроллера для
оптико-электронного датчика 88
3.3 Высокоскоростная сеть передачи данных между оптико-электронными
датчиками и блоком обработки данных 90
3.4 Блок обработки данных системы 91
3.5 Выводы по главе 3 94
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ
МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ... 95
4.1 Исследование параметров НОЭД 96
4.1.1 Расстояние обнаружения тестовых очагов пожара НОЭД 96
4.1.2 Угол обзора НОЭД 98
4.1.3 Помехоустойчивость НОЭД к оптическим помехам 101
4.1.3.1 Исследование воздействия оптической помехи в статическом
режиме 103
4.1.3.2 Исследование помехоустойчивости при одновременном
воздействии полезного сигнала и помехи 107
4.1.3.3 Исследование помехоустойчивости при модуляции излучения
лампы накаливания 110
4.2 Исследование параметров системы 114
4.2.1 Быстродействие системы 114
4.2.1.1 Экспериментальная установка для исследования системы 114
4.2.1.2 Методика проведения экспериментального исследования 117
4.2.2 Исследование точности определения пространственных координат
пламени 120
4.2.2.1 Экспериментальный стенд для исследования точности 120
4.2.2.2 Методика экспериментального исследования 121
4.2.2.3 Результаты исследования 123
4.3 Выводы по главе 4 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 143
Актуальность темы исследования.
Существует множество техногенных объектов, связанных с применением взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ или с возможным возникновением горючих сред (например, объекты нефтегазовой и угольной промышленности). Обеспечение безопасности таких объектов в большинстве случаев осуществляется с помощью автоматических комплексов противопожарной защиты и взрывопо- давления.
При этом эффективное взрывоподавление достигается только при локализации взрыва на начальной стадии пламенного горения за счет высокого быстродействия автоматического комплекса в целом, не превышающего 50 мс. Учитывая, что время срабатывания устройств взрывоподавления составляет 35 мс, быстродействие системы контроля пламени не должно превышать 15 мс. Это требование, как правило, выполняется благодаря использованию в качестве технических средств контроля наличия пламени оптико-электронных приборов. В соответствии с ГОСТ 54777-2011 с точки зрения контроля под пламенем понимается зона горения газопылевоздушных смесей с видимым излучением, имеющая эквивалентный диаметр не менее 0,5 м.
Дополнительное повышение эффективности автоматических комплексов взрывоподавления и, как следствие, увеличение безопасности техногенного объекта может быть достигнуто в случае, если система контроля будет способна не только быстро обнаружить наличие пламени, но и определить его пространственное расположение. При этом благодаря точечной локализации отдельным взрывоподавляющим устройством меньшего объема осуществляется рациональное использование огнетушащего агента, и сохраняется возможность локализации вторичных возгораний. Кроме того, такая организация локализации пламени является более безопасной для персонала.
На практике при разработке систем контроля наличия пламени недостаточно внимания уделяется необходимости обнаружения пламени и определения его трехмерных координат по всему объему охраняемого объекта и возможности адаптации системы под сложную геометрическую конфигурацию помещения. Следовательно, отдельные участки помещения могут остаться незащищенными, что приводит к несвоевременному обнаружению пламенного горения и снижению уровня безопасности техногенного объекта.
Исходя из вышесказанного, актуальной и перспективной задачей является разработка оптико-электронной системы (ОЭС) контроля пламени на взрыво- и пожароопасных техногенных объектах, удовлетворяющей следующим требованиям: возможность обнаружения пламени во всем объеме охраняемого объекта сложной геометрической формы; высокое быстродействие (менее 15 мс); устойчивость к воздействию оптических помех от источников освещения; возможность определения трёхмерных координат пламени для эффективной локализации горения по месту возникновения.
Степень разработанности темы.
Существенный вклад в изучение вопросов пожаровзрывобезопасности объектов нефтегазовой промышленности внесли такие ученые, как Абросимов А.А., Водяник В.И., Бесчастнов М.В., Корольченко А.Я. и другие. Их работы касаются совершенствования подходов к управлению пожаровзрывобезопасностью, исследования причин возникновения пожаров и взрывов при переработке углеводородов. Проблемы взрывозащиты угольных шахт представлены в работах Айру- ни А.Т., Нецепляева М.И., Шевцова Н.Р., Мамаева В.И. и других учёных, работы которых внесли существенный вклад в изучение прогнозирования причин и условий возникновения взрывов, характера их протекания, разработке и оценке эффективности способов предотвращения и локализации взрывов. В настоящее время работы в области промышленной безопасности и разработки средств обеспечения пожаровзрывобезопасности нефтегазовых и угледобывающих предприятий ведутся в АО «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово), АО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт- Петербург), АО «Межведомственная комиссия по взрывному делу» и др. Анализ известных методов и средств обнаружения и локализации взрывов показал необходимость разработки ОЭС контроля пламени, сочетающей в себе высокое быстродействие, возможность определения пространственных координат пламени, возможность адаптации под охраняемый объект сложной геометрической формы.
Целью работы является разработка принципа построения и создание быстродействующей многоточечной оптико-электронной системы контроля для обнаружения и определения координат пламени в охраняемом техногенном объекте сложной геометрической формы.
Задачи исследований.
1. Разработать принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и определения его пространственных координат.
2. Предложить метод определения пространственных координат пламени по значениям выходных сигналов некоординатных оптико-электронных датчиков (НОЭД), входящих в состав ОЭС.
3. Создать способ адаптации ОЭС под помещения сложной геометрической формы.
4. Выработать техническое решение быстродействующей многоточечной ОЭС и входящих в ее состав НОЭД на основе разработанного принципа построения и метода определения пространственных координат пламени.
5. Разработать методики и провести экспериментальные исследования спроектированной ОЭС в лабораторных условиях и условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, и определить значения ее основных технических параметров.
Объект исследования. Пламенное горение на потенциально опасном техногенном объекте сложной геометрической формы.
Предмет исследования. Быстродействующая многоточечная ОЭС контроля пламени и определения его пространственных координат во всем объеме охраняемого техногенного объекта сложной геометрической формы.
Методы исследования. В рамках выполнения диссертационного исследования использовались методы регрессионного анализа данных, численные методы поиска экстремумов функции, поисковые методы оптимального проектирования. Исследование применимости принципов и методов, положенных в основу работы ОЭС, выполнялось на базе математического моделирования. При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Предложен новый принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени, основанный на совместной регистрации оптического излучения некоординатными оптико-электронными датчиками, количество, месторасположение и пространственная ориентация которых определяются геометрической формой внутреннего объема охраняемого техногенного объекта и требуемой точностью определения пространственных координат пламени.
2. Разработан метод определения координат пламени многоточечной ОЭС в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта, основанный на априорном получении (с учетом параметров охраняемого объекта, количества, месторасположения и пространственной ориентации датчиков) функции полиномиальной регрессии, связывающей значения выходных сигналов датчиков и координаты пламени, и применении полученной функции в процессе работы ОЭС для расчета координат пламени.
3. Предложен способ адаптации ОЭС контроля пламени под геометрические параметры охраняемого объекта, основанный на определении оптимальных параметров системы - количества некоординатных оптико-электронных датчиков, их пространственного расположения и ориентации - за счет использования численных методов минимизации целевой функции, полученной на базе математического моделирования ОЭС, и обеспечивающий заданную погрешность определения координат пламени.
4. Впервые создана экспериментальная методика нахождения погрешности определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС, основанная на размещении тестовых очагов различного типа в реперных точках объемного испытательного стенда, имитирующего реальное охраняемое пространство, позволяющая установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
Практическая значимость
1. Выявлены оптимальные спектральные диапазоны контроля пламени углеводородовоздушных смесей (1,6 - 3,8 мкм и 2,6 - 4,7 мкм) и оптических помех от излучения ламп накаливания (0,78 - 1,1 мкм) и нагретых тел (3,88 - 3,92 мкм).
2. Разработан, с учетом выявленных спектральных диапазонов, принцип построения НОЭД, обеспечивающего исключение оптических помех в виде фоновой освещенности от ламп накаливания до 600 лк и излучения тел, нагретых до 350 °С, за счет использования компенсационного метода подавления оптических помех.
3. Разработано программное обеспечение, позволяющее определять количество, месторасположение и пространственную ориентацию НОЭД (на основе задаваемых геометрических параметров охраняемого объема, концентрации и дисперсного состава пыли в промежуточной среде) для построения многоточечной ОЭС обнаружения пламени с требуемой точностью определения пространственных координат пламени (не ниже 15 % согласно требованиям, предъявляемым к аналогичным системам) (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2018610282 от 09.01.2018).
4. Разработанная методология построения многоточечной ОЭС контроля пламени может использоваться при проектировании быстродействующих автоматических комплексов взрывоподавления для увеличения безопасности техногенных объектов с пожаровзрывоопасными средами.
5. Разработан объемный измерительный стенд, обеспечивающий практическую реализацию созданной экспериментальной методики нахождения погрешности определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС.
Положения, выдвигаемые на защиту.
1. Принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля наличия пламени на основе совокупности некоординатных оптико- электронных датчиков, расположенных специальным образом на охраняемом техногенном объекте, обеспечивающий высокое быстродействие (менее 15 мс) и требуемую приведенную погрешность определения координат пламени (не более 15 %) при наличии запыленной атмосферы и оптических помех.
2. Метод определения пространственных координат пламени, основанный на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигналов НОЭД.
3. Способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной геометрической формы и реализующий его программный комплекс для обеспечения контроля наличия пламени и определения его пространственных координат с заданной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного объекта.
4. Методика исследования погрешности определения пространственных координат пламени ОЭС в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, их строгой физической обоснованностью, логической взаимосвязью полученных экспериментальных данных, применением современной измерительной техники и общепринятых методов обработки результатов. Достоверность подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, удовлетворительным совпадением результатов экспериментов и расчетов.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2012 - 2014 гг., 2017 и 2018 гг.), International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (г. Новосибирск, 2012 - 2018 гг.), на XIV международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» ИКИ-2013 (г. Барнаул), международной научно
технической конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» АППМИМ-2016 (г. Воронеж). Результаты исследований представлялись на IV Международной выставке «Измерение, мир, человек - 2014» (г. Барнаул, золотая медаль выставки).
Личный вклад автора. Автором лично получены основные результаты, которые заключаются в формировании принципа построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и ее адаптации под охраняемый объект сложной формы, разработке оптимального метода определения пространственных
Существует множество техногенных объектов, связанных с применением взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ или с возможным возникновением горючих сред (например, объекты нефтегазовой и угольной промышленности). Обеспечение безопасности таких объектов в большинстве случаев осуществляется с помощью автоматических комплексов противопожарной защиты и взрывопо- давления.
При этом эффективное взрывоподавление достигается только при локализации взрыва на начальной стадии пламенного горения за счет высокого быстродействия автоматического комплекса в целом, не превышающего 50 мс. Учитывая, что время срабатывания устройств взрывоподавления составляет 35 мс, быстродействие системы контроля пламени не должно превышать 15 мс. Это требование, как правило, выполняется благодаря использованию в качестве технических средств контроля наличия пламени оптико-электронных приборов. В соответствии с ГОСТ 54777-2011 с точки зрения контроля под пламенем понимается зона горения газопылевоздушных смесей с видимым излучением, имеющая эквивалентный диаметр не менее 0,5 м.
Дополнительное повышение эффективности автоматических комплексов взрывоподавления и, как следствие, увеличение безопасности техногенного объекта может быть достигнуто в случае, если система контроля будет способна не только быстро обнаружить наличие пламени, но и определить его пространственное расположение. При этом благодаря точечной локализации отдельным взрывоподавляющим устройством меньшего объема осуществляется рациональное использование огнетушащего агента, и сохраняется возможность локализации вторичных возгораний. Кроме того, такая организация локализации пламени является более безопасной для персонала.
На практике при разработке систем контроля наличия пламени недостаточно внимания уделяется необходимости обнаружения пламени и определения его трехмерных координат по всему объему охраняемого объекта и возможности адаптации системы под сложную геометрическую конфигурацию помещения. Следовательно, отдельные участки помещения могут остаться незащищенными, что приводит к несвоевременному обнаружению пламенного горения и снижению уровня безопасности техногенного объекта.
Исходя из вышесказанного, актуальной и перспективной задачей является разработка оптико-электронной системы (ОЭС) контроля пламени на взрыво- и пожароопасных техногенных объектах, удовлетворяющей следующим требованиям: возможность обнаружения пламени во всем объеме охраняемого объекта сложной геометрической формы; высокое быстродействие (менее 15 мс); устойчивость к воздействию оптических помех от источников освещения; возможность определения трёхмерных координат пламени для эффективной локализации горения по месту возникновения.
Степень разработанности темы.
Существенный вклад в изучение вопросов пожаровзрывобезопасности объектов нефтегазовой промышленности внесли такие ученые, как Абросимов А.А., Водяник В.И., Бесчастнов М.В., Корольченко А.Я. и другие. Их работы касаются совершенствования подходов к управлению пожаровзрывобезопасностью, исследования причин возникновения пожаров и взрывов при переработке углеводородов. Проблемы взрывозащиты угольных шахт представлены в работах Айру- ни А.Т., Нецепляева М.И., Шевцова Н.Р., Мамаева В.И. и других учёных, работы которых внесли существенный вклад в изучение прогнозирования причин и условий возникновения взрывов, характера их протекания, разработке и оценке эффективности способов предотвращения и локализации взрывов. В настоящее время работы в области промышленной безопасности и разработки средств обеспечения пожаровзрывобезопасности нефтегазовых и угледобывающих предприятий ведутся в АО «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово), АО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт- Петербург), АО «Межведомственная комиссия по взрывному делу» и др. Анализ известных методов и средств обнаружения и локализации взрывов показал необходимость разработки ОЭС контроля пламени, сочетающей в себе высокое быстродействие, возможность определения пространственных координат пламени, возможность адаптации под охраняемый объект сложной геометрической формы.
Целью работы является разработка принципа построения и создание быстродействующей многоточечной оптико-электронной системы контроля для обнаружения и определения координат пламени в охраняемом техногенном объекте сложной геометрической формы.
Задачи исследований.
1. Разработать принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и определения его пространственных координат.
2. Предложить метод определения пространственных координат пламени по значениям выходных сигналов некоординатных оптико-электронных датчиков (НОЭД), входящих в состав ОЭС.
3. Создать способ адаптации ОЭС под помещения сложной геометрической формы.
4. Выработать техническое решение быстродействующей многоточечной ОЭС и входящих в ее состав НОЭД на основе разработанного принципа построения и метода определения пространственных координат пламени.
5. Разработать методики и провести экспериментальные исследования спроектированной ОЭС в лабораторных условиях и условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, и определить значения ее основных технических параметров.
Объект исследования. Пламенное горение на потенциально опасном техногенном объекте сложной геометрической формы.
Предмет исследования. Быстродействующая многоточечная ОЭС контроля пламени и определения его пространственных координат во всем объеме охраняемого техногенного объекта сложной геометрической формы.
Методы исследования. В рамках выполнения диссертационного исследования использовались методы регрессионного анализа данных, численные методы поиска экстремумов функции, поисковые методы оптимального проектирования. Исследование применимости принципов и методов, положенных в основу работы ОЭС, выполнялось на базе математического моделирования. При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Предложен новый принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени, основанный на совместной регистрации оптического излучения некоординатными оптико-электронными датчиками, количество, месторасположение и пространственная ориентация которых определяются геометрической формой внутреннего объема охраняемого техногенного объекта и требуемой точностью определения пространственных координат пламени.
2. Разработан метод определения координат пламени многоточечной ОЭС в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта, основанный на априорном получении (с учетом параметров охраняемого объекта, количества, месторасположения и пространственной ориентации датчиков) функции полиномиальной регрессии, связывающей значения выходных сигналов датчиков и координаты пламени, и применении полученной функции в процессе работы ОЭС для расчета координат пламени.
3. Предложен способ адаптации ОЭС контроля пламени под геометрические параметры охраняемого объекта, основанный на определении оптимальных параметров системы - количества некоординатных оптико-электронных датчиков, их пространственного расположения и ориентации - за счет использования численных методов минимизации целевой функции, полученной на базе математического моделирования ОЭС, и обеспечивающий заданную погрешность определения координат пламени.
4. Впервые создана экспериментальная методика нахождения погрешности определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС, основанная на размещении тестовых очагов различного типа в реперных точках объемного испытательного стенда, имитирующего реальное охраняемое пространство, позволяющая установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
Практическая значимость
1. Выявлены оптимальные спектральные диапазоны контроля пламени углеводородовоздушных смесей (1,6 - 3,8 мкм и 2,6 - 4,7 мкм) и оптических помех от излучения ламп накаливания (0,78 - 1,1 мкм) и нагретых тел (3,88 - 3,92 мкм).
2. Разработан, с учетом выявленных спектральных диапазонов, принцип построения НОЭД, обеспечивающего исключение оптических помех в виде фоновой освещенности от ламп накаливания до 600 лк и излучения тел, нагретых до 350 °С, за счет использования компенсационного метода подавления оптических помех.
3. Разработано программное обеспечение, позволяющее определять количество, месторасположение и пространственную ориентацию НОЭД (на основе задаваемых геометрических параметров охраняемого объема, концентрации и дисперсного состава пыли в промежуточной среде) для построения многоточечной ОЭС обнаружения пламени с требуемой точностью определения пространственных координат пламени (не ниже 15 % согласно требованиям, предъявляемым к аналогичным системам) (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2018610282 от 09.01.2018).
4. Разработанная методология построения многоточечной ОЭС контроля пламени может использоваться при проектировании быстродействующих автоматических комплексов взрывоподавления для увеличения безопасности техногенных объектов с пожаровзрывоопасными средами.
5. Разработан объемный измерительный стенд, обеспечивающий практическую реализацию созданной экспериментальной методики нахождения погрешности определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС.
Положения, выдвигаемые на защиту.
1. Принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля наличия пламени на основе совокупности некоординатных оптико- электронных датчиков, расположенных специальным образом на охраняемом техногенном объекте, обеспечивающий высокое быстродействие (менее 15 мс) и требуемую приведенную погрешность определения координат пламени (не более 15 %) при наличии запыленной атмосферы и оптических помех.
2. Метод определения пространственных координат пламени, основанный на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигналов НОЭД.
3. Способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной геометрической формы и реализующий его программный комплекс для обеспечения контроля наличия пламени и определения его пространственных координат с заданной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного объекта.
4. Методика исследования погрешности определения пространственных координат пламени ОЭС в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, их строгой физической обоснованностью, логической взаимосвязью полученных экспериментальных данных, применением современной измерительной техники и общепринятых методов обработки результатов. Достоверность подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, удовлетворительным совпадением результатов экспериментов и расчетов.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автоматизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2012 - 2014 гг., 2017 и 2018 гг.), International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (г. Новосибирск, 2012 - 2018 гг.), на XIV международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» ИКИ-2013 (г. Барнаул), международной научно
технической конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» АППМИМ-2016 (г. Воронеж). Результаты исследований представлялись на IV Международной выставке «Измерение, мир, человек - 2014» (г. Барнаул, золотая медаль выставки).
Личный вклад автора. Автором лично получены основные результаты, которые заключаются в формировании принципа построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и ее адаптации под охраняемый объект сложной формы, разработке оптимального метода определения пространственных
1. Предложен новый принцип построения многоточечной ОЭС контроля пламени на основе совокупности некоординатных оптико-электронных датчиков, расположенных специальным образом на охраняемом техногенном объекте, обеспечивающий возможность обнаружения пламени и определения его пространственных координат по всему объему охраняемого помещения сложной геометрической формы с требуемой точностью и высоким быстродействием.
2. Разработан метод определения пространственных координат пламени, основанный на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигналов некоординатных оптико-электронных датчиков, что упрощает процесс вычисления, обеспечивая высокое быстродействие при сохранении требуемой погрешности даже в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта.
3. Предложен способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной геометрической формы, позволяющий определить оптимальное количество некоординатных оптико-электронных датчиков, их пространственное расположение и ориентацию с помощью численных методов поиска минимума целевой функции для обеспечения контроля наличия пламени и определения его пространственных координат с заданной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного объекта.
4. Разработано техническое решение быстродействующей многоточечной ОЭС и НОЭД, входящих в ее состав. Определены оптимальные спектральные диапазоны контроля излучения пламени с учетом применения в НОЭД компенсационного метода подавления оптических помех. Разработан алгоритм функционирования блока обработки данных ОЭС.
5. Разработана новая методика исследования погрешности определения пространственных координат пламени в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, основанная на организации объемного испытательного стенда со специально размещенными тестовыми очагами различного типа, позволяющая установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
6. Проведены экспериментальные исследования спроектированной ОЭС в лабораторных условиях и в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации. В результате определены значения технических параметров системы для ОЭС из четырех НОЭД:
- размеры охраняемой зоны: 8x8x8 м;
- угол обзора НОЭД: 90°;
- быстродействие: 14 мс;
- погрешность определения координат пламени, не более 15 %;
- значение фоновой освещенности, создаваемое лампой накаливания, при которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извещение - не более 600 лк;
- значение температуры оптической помехи в виде излучения от нагретого тела, при которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извещение - не более 365 °С.
2. Разработан метод определения пространственных координат пламени, основанный на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигналов некоординатных оптико-электронных датчиков, что упрощает процесс вычисления, обеспечивая высокое быстродействие при сохранении требуемой погрешности даже в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта.
3. Предложен способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной геометрической формы, позволяющий определить оптимальное количество некоординатных оптико-электронных датчиков, их пространственное расположение и ориентацию с помощью численных методов поиска минимума целевой функции для обеспечения контроля наличия пламени и определения его пространственных координат с заданной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного объекта.
4. Разработано техническое решение быстродействующей многоточечной ОЭС и НОЭД, входящих в ее состав. Определены оптимальные спектральные диапазоны контроля излучения пламени с учетом применения в НОЭД компенсационного метода подавления оптических помех. Разработан алгоритм функционирования блока обработки данных ОЭС.
5. Разработана новая методика исследования погрешности определения пространственных координат пламени в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, основанная на организации объемного испытательного стенда со специально размещенными тестовыми очагами различного типа, позволяющая установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
6. Проведены экспериментальные исследования спроектированной ОЭС в лабораторных условиях и в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации. В результате определены значения технических параметров системы для ОЭС из четырех НОЭД:
- размеры охраняемой зоны: 8x8x8 м;
- угол обзора НОЭД: 90°;
- быстродействие: 14 мс;
- погрешность определения координат пламени, не более 15 %;
- значение фоновой освещенности, создаваемое лампой накаливания, при которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извещение - не более 600 лк;
- значение температуры оптической помехи в виде излучения от нагретого тела, при которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извещение - не более 365 °С.