Модуляционный прибор контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов

Актуальность работы. Пожарная опасность ряда объектов характерна угрозой практически мгновенного распространения пламени.

На таких объектах единственным эффективным способом предотвращения пожарных угроз является создание автоматических систем противопожарной защиты, включающих в себя приборы обнаружения пламени на начальной стадии (приборы контроля пламени) и устройства принудительного пуска огнетушащего вещества в зону воспламенения.

Учитывая, что быстродействие современных устройств пуска огнетушащего вещества составляет порядка 0,2 с, быстродействие приборов контроля пламени должно составлять 0,01 — 0,02 с.

Кроме того, при реализации автоматических систем пожаротушения, развивающих высокую скорость выброса огнетушащего вещества, актуальна задача обеспечения высокой доверительной вероятности выдачи сигнала о возгорании, поскольку ложное срабатывание прибора контроля пламени от возможных оптических, электрических и магнитных помех может оказаться опасным для человека и привести к порче оборудования, расположенного в защищаемом помещении.

Существенным недостатком современных средств обнаружения пламени является отсутствие функции непрерывной самодиагностики работоспособности (нет гарантии исправной работы прибора контроля пламени в текущий момент времени).

Как показал анализ, наиболее быстродействующими приборами контроля пламени, обеспечивающими высокую доверительную вероятность сигнала «пламя», являются датчики-сигнализаторы пламени с механическими модуляторами.

В известных приборах контроля пламени с механическими модуляторами реализуется принцип модуляции контролируемого потока излучения пламени с помощью непрерывно вращающегося диска с прорезью. Этот принцип позволяет определять наличие пламени на ранней стадии, когда его интенсивность еще мала. Быстродействие модуляционного прибора контроля пламени определяется, прежде всего, его механическими характеристиками (в данном случае — скоростью вращения диска с прорезью). Однако, механическое вращение, предусмотренное в известных приборах контроля данного типа, является их принципиальным недостатком, препятствующим их широкому применению.

Поэтому создание нового модуляционного прибора контроля пламени, обладающего повышенным быстродействием при заданной доверительной вероятности сигналов и функцией непрерывной самодиагностики, является актуальной научно-технической задачей и позволит существенно повысить уровень безопасности техногенных объектов.

Объектом исследования являются приборы контроля и регистрации пламени для систем автоматической противопожарной защиты.

Предметом исследования является модуляционный прибор контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов.

Цель работы — повышение быстродействия контроля и регистрации пламени в системах автоматической противопожарной защиты.

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие научно-технические задачи:

1. Аналитический обзор методов и средств обнаружения пламени.

2. Разработка структуры прибора контроля пламени и устройства модулятора оптического сигнала, разработка математических моделей модулятора и прибора в целом.

3. Разработка алгоритмического обеспечения формирования и обработки информативных сигналов модуляционного прибора контроля пламени и синтез его схемной реализации.

4. Разработка методик проектирования и экспериментальных исследований модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов.

5. Создание экспериментального образца модуляционного прибора контроля пламени и проведение исследований его характеристик.

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Разработаны принцип построения, структура, математическая и имитационная модели модуляционного прибора контроля пламени на основе коммутатора оптических каналов. Разработана методика синтеза параметров растрового коммутатора оптических каналов. Разработана математическая модель растрового коммутатора оптических каналов.

2. Разработан алгоритм формирования и обработки информативных сигналов модуляционного прибора контроля пламени. Предложена структурная электрическая схема его реализации.

3. Разработана методика проектирования модуляционного прибора контроля пламени.

4. Разработана и апробирована методика исследования прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов.

Практическая ценность работы.

Применение разработанных математических моделей, алгоритмов и методики проектирования модуляционного прибора контроля пламени позволило создать экспериментальный образец модуляционного прибора контроля пламени и позволяет создать прибор контроля пламени с требуемым быстродействием при заданной вероятности ложных срабатываний.

Разработанный прибор контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов регистрирует пламя в 50 раз быстрее, чем его аналоги, что позволит существенно повысить эффективность систем автоматической противопожарной защиты.

Методы исследования. При решении поставленной научной задачи использовались методы анализа и синтеза, математическое моделирование, экспериментальные исследования, обработка сигналов программными средствами, методы математической статистики.

На защиту выносятся:

1. Принципы построения, структура, математическая и имитационная модели модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов. Методика синтеза параметров растрового коммутатора. Математическая модель растрового коммутатора оптических каналов.

2. Алгоритм формирования и обработки сигналов модуляционного прибора контроля пламени, структурная электрическая схема, и компьютерная программа его реализации, методика экспериментальных исследований прибора.

3. Методика инженерного проектирования модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов.

4. Результаты разработки и исследования экспериментального образца, подтверждающие требуемое быстродействие работы модуляционного прибора контроля пламени и заданную доверительную вероятность сигналов «отсутствие пламени» и «пламя».

Апробация работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований обсуждались на VII Всероссийской научно-технической конференции «Современные охранные технологии и средства обеспечения комплексной безопасности объектов» (г. Пенза, 2008 г.), на «VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых» (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на международной молодежной научной конференции «XVII Туполевские чтения» (г. Казань, 2009 г.), на международной научно-практической конференции «Современные проблемы безопасности жизнедеятельности: опыт, проблемы, поиски решения» (г. Казань, 2010 г.), на международной молодежной научной конференции «XVIII Туполевские чтения» (г. Казань, 2010 г.), на научных семинарах кафедры Автоматики и управления КНИТУ-КАИ (г. Казань, 2008;2011 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, в том числе две статьи в ведущих рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, получено два патента РФ на изобретения.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Результаты исследования использованы при выполнении НИОКР «Разработка и лабораторные испытания макетного образца модуляционного извещателя горения на основе электромеханотронного двухканального растрового коммутатора оптических сигналов», per. № 1 201 160 524, проводимой в рамках программы «У.М.Н.И.К. на Старт» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, что подтверждается соответствующим актом.

Полученные результаты используются в учебном процессе в рамках цикла по профессиональной переподготовке специалистов «Технические средства охраны и пожарной автоматики» в КНИТУ-КАИ, что подтверждается соответствующим актом.

Достоверность полученных результатов базируется на построении адекватной математической модели исследуемого модуляционного прибора контроля пламени, применении усреднения значительных объёмов данных при обработке результатов исследований модели и экспериментального образца прибора, построении и анализе соответствующих кривых распределения исследуемых сигналов и подтверждается высокой степенью совпадения результатов теоретических и экспериментальных исследований прибора.

Структура и объем диссертации

Диссертация объемом 164 страниц состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 106 наименований, содержит 62 рисунка, семь таблиц, три приложения.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4.

1. В соответствии с поставленной задачей разработки методики создания эффективного модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов были исследованы различные варианты приводных устройств и упругих подвесов для подвижной части прибора. Наиболее эффективным типом привода применительно к модуляционному прибору контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов является электромагнитный привод, а подвесом — упругая конструкция на плоских пружинах.

2. Определено, что наибольшее влияние на работу данной механической системы оказывает толщина плоских пружин упругого подвеса. При этом показано, что смещение точки крепления пластин к диску мало и им можно пренебречь.

3. На основе анализа составленной математической модели упругого подвеса с диском сделан вывод о том, что наилучшим режимом работы электромеханической системы модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов является резонансный режим. Расчет упругих пластин при заданных массогабаритных характеристиках подвижной части должен быть выполнен таким образом, чтобы обеспечить колебания подвижной растровой решетки на заданной резонансной частоте.

4. По разработанной методике статистической обработки и анализа сигналов модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов реализована программа в среде Lab VIEW. Программа в режиме реального времени отображает на мониторе компьютера сигнал с фотоприемника прибора контроля пламени и выдает результат его обработки.

5. Создан экспериментальный образец модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов. Исследования характеристик экспериментального образца показали адекватность его математической модели. Модуляционный прибор контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов устойчиво реагирует на источник пламени с быстродействием не более 0,01 с.

6. Разработанная методика проектирования модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов позволяет выполнить выбор и произвести расчет его основных параметров исходя из заданного быстродействия, помехоустойчивости и габаритов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

По результатам исследования сформулированы следующие основные выводы.

1. Анализ существующих приборов контроля пламени показал, что перспективным направлением совершенствования их основной характеристики — быстродействия является создание приборов контроля модуляционного типа на основе растрового коммутатора.

2. Разработаны математическая и имитационная модели модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов. Модели позволяют принципиально решать задачи анализа его характеристик и сигналов, включая погрешности, а также — синтеза его параметров, в частности, определять пороги срабатывания и4 — и7 и обоснованно принимать проектные решения при создании прибора.

3. Предложена новая структура модуляционного прибора контроля пламени на основе принципиально нового растрового коммутатора оптических каналов. Разработана методика выбора параметров растрового коммутатора. Полученные результаты позволяют:

— повысить быстродействие модуляционного прибора контроля пламени при малых энергопотреблении, габаритах и уровне собственных механических вибраций;

— обеспечить заданную помехоустойчивость прибора контроля пламени и доверительную вероятность выходных дискретных сигналов за счёт инвариантности к низкочастотным помехам, включая источники методических низкочастотных погрешностей;

— реализовать функцию непрерывного контроля работоспособности модуляционного прибора контроля пламени.

4. Разработана математическая модель растрового коммутатора оптических каналов, как основного элемента прибора. Модель коммутатора позволяет с учётом произвольных геометрических параметров проанализировать его функциональные характеристики.

5. Разработанный алгоритм и электрическая схема обработки сигналов позволяют определять отсутствие или наличие пламени и диагностировать три вида неисправности.

6. По разработанной методике статистической обработки и анализа сигналов модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов реализована программа в среде Lab VIEW. Программа в режиме реального времени отображает на мониторе компьютера сигнал с фотоприемника прибора контроля пламени и выдает результат его обработки.

7. Создан экспериментальный образец модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов. Исследования характеристик экспериментального образца показали адекватность его математической модели. Модуляционный прибор контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов устойчиво реагирует на источник пламени с быстродействием не более 0,01 с.

8. Разработанная методика проектирования модуляционного прибора контроля пламени на основе растрового коммутатора оптических каналов позволяет выполнить выбор и произвести расчет его основных параметров исходя из заданного быстродействия, помехоустойчивости и габаритов.