Исследование воздействия динамических оптических помех на быстродействующие оптико-электронные приборы обнаружения возгорания
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИЧЕСКИХ
ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ 6
1.1 Динамические оптические помехи 6
1.2 Аналитические зависимости для моделирования динамических
оптических помех 8
1.3 Результаты моделирования 11
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПТИКО¬
ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗГОРАНИЯ НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ВХОДНОЙ ЗРАЧОК ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПОМЕХИ 17
2.1 Принцип действия прибора обнаружения возгорания 17
2.2 Аналитические зависимости и исходные данные для моделирования 18
2.3 Результаты моделирования 23
3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 29
3.1 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по длине волны .. 29
3.2 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по питающему току
33
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ
ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 37
4.1 Лабораторные установки 37
4.2 Результаты исследования динамических спектральных
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 53
1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИЧЕСКИХ
ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ 6
1.1 Динамические оптические помехи 6
1.2 Аналитические зависимости для моделирования динамических
оптических помех 8
1.3 Результаты моделирования 11
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПТИКО¬
ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗГОРАНИЯ НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ВХОДНОЙ ЗРАЧОК ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПОМЕХИ 17
2.1 Принцип действия прибора обнаружения возгорания 17
2.2 Аналитические зависимости и исходные данные для моделирования 18
2.3 Результаты моделирования 23
3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 29
3.1 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по длине волны .. 29
3.2 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по питающему току
33
4 ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ
ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 37
4.1 Лабораторные установки 37
4.2 Результаты исследования динамических спектральных
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 50
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 53
В БТИ АлтГТУ в рамках финансирования по гранту РФФИ № 18-38-00748 разрабатывается новый метод повышения достоверности принятия решения быстродействующими оптико-электронными приборами (ОЭП) обнаружения возгорания на ранней стадии во взрывоопасной пылегазовой атмосфере в условиях наличия динамических оптических помех.
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 (пожаровзрывопасные смеси). 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.
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 (пожаровзрывопасные смеси). 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.
В результате выполнения работы было:
- проведено моделирование характеристик динамических помех в виде лампы накаливания постоянного и переменного тока при включении и выключении;
- проведено моделирование работы быстродействующего ОЭП ДСО обнаружения возгорания на ранней стадии при воздействии на входной зрачок динамической оптической помехи;
- разработаны экспериментальные установки и методики для исследования динамических характеристик оптических помех в виде излучения ламп накаливания;
- получены динамические характеристики источников оптических помех в виде излучения ламп накаливания на основе метода с разверткой по длине волны и метода с разверткой по питающему току.
На основе анализа подходов сформулированы зависимости для расчета динамики изменения температуры тела накала на основе решения дифференциального уравнения.
В результате проведения исследования на базе моделирования получены зависимости характеризующие динамики изменения температуры тела накала для ламп накаливания постоянного и переменного тока. По динамике получен спектральный поток излучения тела накала для исследуемых ламп.
В результате проведения эксперимента для проверки адекватности полученной математической модели, было выявлено, что выбранная математическая модель удовлетворяет требованиям адекватности, а именно выходные параметры модели близки к экспериментальным. Температура лампы накаливания постоянного тока при моделировании и экспериментальном исследовании составила 2500 К. Температура лампы накаливания переменного тока как в модели, так и в эксперименте составила 2450 К. Динамика изменения потока излучения, оцененная по значениям
времени нарастания и спада сигнала модели, показала соответствие расчетных данных и данных полученных экспериментальным путем.
На основе принципа действия прибора предложены подходы для обеспечения помехоустойчивости прибора - использование выбранных спектральных диапазонов контроля; использование дополнительных каналов прибора (аппаратная избыточность); применение дополнительных алгоритмов обработки сигналов каналов (отношений сигналов) прибора (программная избыточность).
На основе анализа литературы сформулированы зависимости для моделирования работы ОЭП ДСО. В качестве очага возгорания принимался огненный шар с постоянной по объему температурой, возникающий при горении метановоздушной смеси. Динамическая оптическая помеха представлена излучением лампы накаливания, возникающем при включении и выключении источника питания лампы.
В результате проведения исследования на базе моделирования получены зависимости, характеризующие изменение значений отношения в зависимости от температуры лампы накаливания на различных длинах волн. Определены характерные значения изменения отношений на выбранных спектральных диапазонах.
Разработана установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания методом с разверткой по длине волны, позволяющие получать изменения спектрального потока излучения ламп накаливания в диапазоне длин волн от 1 до 3,5 мкм;
Разработана установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания методом с разверткой по питающему току, позволяющие получать динамические спектральные характеристики излучения лампы накаливания в диапазоне значений тока от 0,26 до 0,4 А.
В результате выполнения экспериментального исследования на основе переходных функций получены динамические спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания методом с разверткой по длине волны. Максимум спектрального потока излучения в установившемся режиме работы для лампы накаливания постоянного тока находится на длине волны 1,16 мкм и 1,18 мкм для лампы накаливания переменного тока. Используя закон смещения Вина по максимумам спектральных характеристик, были определены зависимости температуры тела накала от времени при включении и выключении ламп накаливания.
При использовании метода с разверткой по питающему току максимум спектрального потока излучения лампы накаливания в установившемся режиме работы находится на длине волны 1,2 мкм. Используя закон смещения Вина, были получены динамические спектральные характеристики для лампы накаливания в диапазоне от 1670 К до 2415 К.
Проведя анализ полученных данных выбрана, методика для исследования динамических характеристик источников оптических помех с разверткой по длине волны.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта № 18-38-00748.
- проведено моделирование характеристик динамических помех в виде лампы накаливания постоянного и переменного тока при включении и выключении;
- проведено моделирование работы быстродействующего ОЭП ДСО обнаружения возгорания на ранней стадии при воздействии на входной зрачок динамической оптической помехи;
- разработаны экспериментальные установки и методики для исследования динамических характеристик оптических помех в виде излучения ламп накаливания;
- получены динамические характеристики источников оптических помех в виде излучения ламп накаливания на основе метода с разверткой по длине волны и метода с разверткой по питающему току.
На основе анализа подходов сформулированы зависимости для расчета динамики изменения температуры тела накала на основе решения дифференциального уравнения.
В результате проведения исследования на базе моделирования получены зависимости характеризующие динамики изменения температуры тела накала для ламп накаливания постоянного и переменного тока. По динамике получен спектральный поток излучения тела накала для исследуемых ламп.
В результате проведения эксперимента для проверки адекватности полученной математической модели, было выявлено, что выбранная математическая модель удовлетворяет требованиям адекватности, а именно выходные параметры модели близки к экспериментальным. Температура лампы накаливания постоянного тока при моделировании и экспериментальном исследовании составила 2500 К. Температура лампы накаливания переменного тока как в модели, так и в эксперименте составила 2450 К. Динамика изменения потока излучения, оцененная по значениям
времени нарастания и спада сигнала модели, показала соответствие расчетных данных и данных полученных экспериментальным путем.
На основе принципа действия прибора предложены подходы для обеспечения помехоустойчивости прибора - использование выбранных спектральных диапазонов контроля; использование дополнительных каналов прибора (аппаратная избыточность); применение дополнительных алгоритмов обработки сигналов каналов (отношений сигналов) прибора (программная избыточность).
На основе анализа литературы сформулированы зависимости для моделирования работы ОЭП ДСО. В качестве очага возгорания принимался огненный шар с постоянной по объему температурой, возникающий при горении метановоздушной смеси. Динамическая оптическая помеха представлена излучением лампы накаливания, возникающем при включении и выключении источника питания лампы.
В результате проведения исследования на базе моделирования получены зависимости, характеризующие изменение значений отношения в зависимости от температуры лампы накаливания на различных длинах волн. Определены характерные значения изменения отношений на выбранных спектральных диапазонах.
Разработана установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания методом с разверткой по длине волны, позволяющие получать изменения спектрального потока излучения ламп накаливания в диапазоне длин волн от 1 до 3,5 мкм;
Разработана установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания методом с разверткой по питающему току, позволяющие получать динамические спектральные характеристики излучения лампы накаливания в диапазоне значений тока от 0,26 до 0,4 А.
В результате выполнения экспериментального исследования на основе переходных функций получены динамические спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания методом с разверткой по длине волны. Максимум спектрального потока излучения в установившемся режиме работы для лампы накаливания постоянного тока находится на длине волны 1,16 мкм и 1,18 мкм для лампы накаливания переменного тока. Используя закон смещения Вина по максимумам спектральных характеристик, были определены зависимости температуры тела накала от времени при включении и выключении ламп накаливания.
При использовании метода с разверткой по питающему току максимум спектрального потока излучения лампы накаливания в установившемся режиме работы находится на длине волны 1,2 мкм. Используя закон смещения Вина, были получены динамические спектральные характеристики для лампы накаливания в диапазоне от 1670 К до 2415 К.
Проведя анализ полученных данных выбрана, методика для исследования динамических характеристик источников оптических помех с разверткой по длине волны.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках гранта № 18-38-00748.