Исследование воздействия динамических оптических помех на быстродействующие оптико-электронные приборы обнаружения возгорания

Коренев Евгений

Исследование воздействия динамических оптических помех на быстродействующие оптико-электронные приборы обнаружения возгорания

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.

Приборостроение

Исследования

Вуз: Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

ID: 5cf0c8677966e10545e7d420

UUID: 8b830070-659a-0137-1762-525400005860

Язык: Русский

Опубликовано: больше 5 лет назад

Просмотры: 50

11.1

Коренев Евгений

Бийский технологический институт (филиал) Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 2,3 МБ

Поделиться работой

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова» Кафедра Методов и средств измерений и автоматизации УДК 681.7.069.24:614.84 Исследование воздействия динамических оптических помех на быстродействующие оптико-электронные приборы обнаружения возгорания Исполнители Коренев Е.А. Руководитель работы доцент, к.т.н. должность, ученая степень Сыпин Е.В. и.о. фамилия БИЙСК 2019 подпись

СОДЕРЖАНИЕ 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 ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО 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 характеристик ламп накаливания ........................................................................ 41

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 50 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ....................................... 53

ВВЕДЕНИЕ В БТИ АлтГТУ в рамках финансирования по гранту РФФИ № 18-3800748 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 взрывоопасной пылегазовой предприятий атмосферы. характеризуется Типичный наличием 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 экономическое и хозяйственное значение. задачей, имеющей важное

1 МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ДИНАМИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ 1.1 Динамические оптические помехи Основным видом оптических помех, которые влияют на работу ОЭП, является засветка от источников излучения в видимом и инфракрасном диапазонах. Влияние засветки основано на искажении воспринимаемого датчиком спектрального распределения энергии излучения контролируемого объекта [1]. Оптические помехи создают фон, на котором трудно выделить полезный сигнал, что может привести к пропуску возгорания или ложному срабатыванию ОЭП. Наибольшее влияние на ОЭП оказывают помехи, спектр излучения которых близок к спектру излучения продуктов горения (H 2O и CO2), в особенности это излучение от лампы накаливания [1]. Лампа накаливания представляет собой спираль из вольфрама, разогреваемая электрическим током до температуры примерно 2900 K, соответственно её максимум мощности излучения находится в области 1 мкм. При этой температуре твердое тело излучает свет как в видимой, так и в инфракрасной областях спектра (рисунок 1) [1, 2]. Рисунок 1 – Спектр излучения ламп накаливания различной мощности

Характеристика динамической оптической помехи представляет собой переходную функцию, которая описывает нарастание и спад потока излучения в зависимости от температуры тела накала, которая изменяется при включении и выключении ламп накаливания. Тело накала представляет собой спираль из вольфрама. Основываясь на полученных переходных функциях, можно получить спектральный поток излучения лампы накаливания в моменты изменения температуры тела накала, в динамике. Теоретический метод, применяемый для выполнения исследования, является менее затратным, более универсальным, не требует специального оборудования, позволяет выполнять расчеты на различных исходных данных. Результаты собственных экспериментальных исследований будут использоваться для проверки адекватности результатов моделирования. Известны методы для исследования проблемы – теоретический [3-13] на базе моделирования и экспериментальный [2,14-16]. В работах [3-8] приведен ряд моделей, которые описывают излучение, опираясь только на геометрические параметры тела накала, не принимая во внимание то, что излучение может изменяться в зависимости от времени. В публикациях [5-10] не принимался во внимание вопрос об изменении спектра излучения при включении или выключении лампы накаливания. В работах [9,10] при моделировании ламп накаливания не учитывается зависимость коэффициента излучения от длины волны и температуры тела накала. Исходя из нормативной документации [17] определение устойчивости ОЭП к воздействию динамической оптической помехи проводят следующим образом. Устанавливают источник освещения в виде лампы накаливания мощностью от 60 до 100 Вт. Динамическая оптическая помеха на входном зрачке ОЭП создается за счет включения или выключения источника питания лампы. В процессе испытания ОЭП не должен выдавать ложного срабатывания.

Таким образом, для исследования динамических характеристик оптических помех ламп накаливания используются переходные функции, которые описывают поток излучения лампы накаливания при ее включении и выключении. 1.2 Аналитические зависимости для моделирования динамических оптических помех Известные подходы к моделированию динамических помех основаны на решении дифференциального уравнения, которое описывает динамику изменения температуры тела накала [11-13]. На основе полученных данных о температуре далее находят параметры и характеристики оптического излучения. На основе работ [11,12] были сформулированы аналитические зависимости для моделирования с учетом следующих допущений: тело накала представляется в виде цилиндра; геометрия тела накала не изменяется в зависимости от температуры; окружающая среда находится при постоянной комнатной температуре. В работе [11] приводится зависимость (1), которая описывает динамику изменения температуры лампы накаливания: 4 C (T )dT / dt  U 2 (t ) / R(T )  K (T  T0 )  AT , s (1) где U(t) – напряжение питания, В; R(T) – сопротивление тела накала, Ом; C(T) – теплоемкость тела накала, Дж/К; K – коэффициент потерь на конвекцию и теплопроводность; T – температура тела накала, К; T0 – начальная температура тела накала (при отключенном питании), К;  – интегральный коэффициент излучения; As – площадь поверхности тела накала, м2;  – постоянная Стефана-Больцмана (  = 5,6710-8 Втм-2К-4). Сопротивление тела накала выражается через удельное сопротивление вольфрама [11]: R(T )  (T ) L / Ac , (2)

где (T) – удельное сопротивление тела накала в зависимости от температуры нагрева, Омм; L – длина тела накала, м; Ac – площадь поперечного сечения тела накала, м2. В работе [13] удельное сопротивление тела накала (T) (10-6Омм) представлено в виде формулы (3): (T )  2,228 108 T 2  2,472 104 T  1,859 102. (3) Площадь поперечного сечения рассчитывают согласно формуле (4): Ac  0 L / R0 , (4) где 0 – удельное сопротивление вольфрама при отключенном питании лампы накаливания, Омм; R0 – сопротивление тела накала при отключенном питании, Ом [13]. Теплоемкость тела накала определяется через объемную удельную теплоемкость (5): C (T )  c(T )dLAc  c(T )dL20 / R0 , (5) где c(T) – удельная по массе теплоемкость вольфрама, Дж/(кгК); d – плотность вольфрама, кг/м3. Удельная теплоемкость вольфрама, полученная в ходе аппроксимации данных в работе [12], определяется следующей функцией (6): c(T )  3Rg (1  D2 / 20T 2 )  2aT  4bT 3 , (6) где Rg – газовая константа, Дж/Кмоль; θD – температура Дебая, К; a = 4,554910-3; b = 5,7787410-10 [12]. Согласно работе [18] потери fc, связанные с конвекцией ламп накаливания можно пренебречь, при лампах накаливания мощностью не более 40 Вт (при этом fc <= 0,015), в противном случае данный параметр необходимо учитывать. На основе данных в работе [18] и с учетом зависимости (7): K=fc*Pлн /(T-T0) , (7) определен коэффициент потерь К для 40, 60 и 100 Вт ламп накаливания, составляющий K = 3,60×10-3, 3,54×10-3 и 4,96×10-3 Вт/К соответственно.

Приведенная формула (1) рассчитана на получение данных об интегральном излучении по всему спектру через закон Стефана-Больцмана. Но в данной работе необходимо получить спектральную динамическую характеристику потока излучения в разные моменты времени с разной температурой тела накала. Исходя из этого формулу (1) необходимо преобразовать путем перехода от закона Стефана-Больцмана к закону Планка (8):  max T 4   () M e (, T )d , (8)  min где λ – длина волны, м; λmin - λmax – спектральный диапазон содержащий основную долю энергии излучения ламп накаливания (от 0,3 до 5,5 мкм); (,T) – спектральный коэффициент излучения вольфрама; Ме(λ, T) – спектральная энергетическая светимость, Вт/м2. В ходе аппроксимации данных в работе [19], был получен спектральный коэффициент излучения вольфрама, который имеет вид (9):   a  b ln()  cT  d ln()2  eT 2   fT ln()  g ln()3  hT 3  iT 2 ln()  jT ln()2 , (9) где a = 98,2273; b = 22,6349; c = 22,710-4; d = 1,7198; e = 6,399410-9; f = 29,692210-5; g = 0,0430; h = -6,369410-13; i = 2,058310-10; j = 9,552610-6. Спектральная энергетическая светимость определяется через соотношение (10): M e (,T )  C1 5[exp(C2 / T )  1]1 , (10) где C1 = 3,7415·10–16 Втм2, C2 = 1,43879·10–2 мК [1]. После перехода в соответствии с формулой (7) зависимость (1) будет иметь вид: C (T )dT / dt  U 2 (t ) / R(T )  K (T  T0 )   max As  () M e (, T )d ,  min (11)

На основе аналитических зависимостей сформулированы исходные данные для моделирования динамической оптической помехи в виде излучения ламп переменного и постоянного тока (табл. 1) [11,12,18,20,21]. Таблица 1 – Исходные данные для моделирования Значение Лампа Лампа переменного тока постоянного тока Параметр Действующее напряжение питания, Uд Амплитудное напряжение питания, Uа Частота сети, F Газовая константа, Rg Температура Дебая, θD Начальная температура, Т0 Начальное сопротивление, R0 Удельное сопротивление вольфрама при отсутствии напряжения, 0 Длина тела накала, L Начальная длина волны, min Конечная длина волны, max На основе характеристики, аналитических описывающие 220 В 12 В 311 В – 50 Гц – 45,23 Дж/Кмоль [12] 310 К [12] 300 К 100 Ом 3 Ом 5,4410-8 Омм [21] 0,6 м [21] 0,3 мкм 5,5 мкм 0,04 м [21] зависимостей динамику будут изменения получены температуры и спектрального потока излучения ламп накаливания. 1.3 Результаты моделирования Моделирование выполнялось на основе исходных данных (табл. 1) при помощи программного обеспечении комплекса использовался Matlab. специальный В данном пакет программном для решения дифференциальных уравнений ODE, а именно применялся решатель Ode23s, который специализируется на решении жестких дифференциальных уравнений низкого порядка [22]. В результате моделирования был получен график нарастания и спада температуры тела накала для лампы накаливания постоянного тока при

включении и выключении источника питания ламп соответственно (рисунок 2). Рисунок 2 – График температуры тела накала для лампы накаливания постоянного тока Максимальная температура тела накала, полученная при выполнении моделирования, составляет Tmax = 2500 K. На рисунок 3 представлены графики спектрального потока излучения для различных температур тела накала в различные моменты времени при включении лампы накаливания. Рисунок 3 – Спектральные потоки излучения тела накала для лампы накаливания постоянного тока в различные моменты времени

Так же был рассчитан интегральный (по спектру) поток оптического излучения при включении и выключении лампы накаливания постоянного тока, график представлен на рисунок 4. Рисунок 4 – Интегральный поток оптического излучения для лампы накаливания постоянного тока Из графика видно, что переходный процесс при включении составил вкл.модель = 0,14 c. Переходный процесс при выключении составил выкл.модель = 0,3 c. Для лампы накаливания переменного тока мощностью 40 Вт график нарастания и спада температуры тела накала представлен на рисунок 5.

Рисунок 5 – График температуры тела накала для лампы накаливания мощностью 40 Вт переменного тока Максимальная температура составила 2450 К. На рисунок 6 представлен график нарастания и спада интегрального потока оптического излучения лампы накаливания переменного тока. Рисунок 6 – Интегральный поток оптического излучения для лампы накаливания мощностью 40 Вт переменного тока

Время нарастания потока излучения при включении составило вкл.модель = 0,06 с, при выключении – выкл.модель = 0,12 с. На рисунок 7 представлены графики спектрального потока излучения для температур тела накала в различные моменты времени при включении лампы накаливания. Рисунок 7 – Спектральные потоки излучения тела накала для лампы накаливания мощностью 40 Вт переменного тока в различные моменты времени Совокупность спектральных характеристик потока излучения (рис. 3 и рис. 7) для температур тела накала для всех возможных моментов времени позволяет получить переходную функцию – изменение потока излучения в зависимости от времени на фиксированной длине волны. Проверка адекватности выполняется путем сопоставления результатов моделирования с результатами собственных экспериментальных исследований. Исходные данные, используемые при моделировании, соответствовали условиям проведения экспериментальных исследований. При проведении эксперимента использовался метод с разверткой по длине волны. Метод заключался в получении совокупности переходных

характеристик излучения ламп путем включения и выключения источника питания. Каждая переходная характеристика регистрировалась фотоприемником для фиксированной длины волны, выделяемой с помощью монохроматора. Путем обработки совокупности переходных характеристик излучения ламп определялся спектральный поток излучения ламп в различные моменты времени при нагреве тела накала. Температура ламп в заданный момент времени оценивалась на основе закона Вина по значению длины волны соответствующей максимуму спектральной характеристики излучения. Для лампы накаливания постоянного тока мощностью 5 Вт, спектральный максимум соответствует длине волны излучения – 1,2 мкм, что соответствует температуре, полученной при моделировании равной 2500 К. В проведенном эксперименте время нарастания потока излучения составило вкл.экс. = 0,15 c, время спада – выкл.экс = 0,3 c. В проведенном эксперименте для лампы переменного тока мощностью 40 Вт, время нарастания потока излучения составило вкл.экс. = 0,07 c, время спада – выкл.экс. = 0,15 c. Спектральный максимум для данной лампы – 1,18 мкм, что соответствует температуре, полученной при моделировании равной 2450 К. Динамика роста и спада потока излучения в эксперименте совпадает с динамикой модели. В результате проверки адекватности установлено, что расчетные данные на выходе модели находятся в хорошем соответствии с экспериментальными данными (динамика изменения потока оптического излучения и спектральный энергетический поток), исходя из этого, можно судить об адекватности разработанной модели.

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРИБОРА ОБНАРУЖЕНИЯ ВОЗГОРАНИЯ НА РАННЕЙ СТАДИИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА ВХОДНОЙ ЗРАЧОК ДИНАМИЧЕСКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПОМЕХИ 2.1 Принцип действия прибора обнаружения возгорания Структурная схема ОЭП ДСО представлена на рисунок 8. В ОЭП ДСО световой поток от источника возгорания и других источников оптического излучения, с помощью линз фокусируется на светофильтрах с различными спектральными диапазонами пропускания, и попадает на фотоприёмники. Выходной сигнал каждого из трёх фотоприёмников приходит на соответствующий вход блока управления. В данном блоке сигнал усиливается и оцифровывается. Обработка сигналов происходит при помощи микроконтроллера и представляет собой усреднение по времени сигналов каналов и расчёте двух отношений, например, I1/I2 и I1/I3. Таким образом, реализуется метод двух спектральных отношений для трёх каналов. По результатам сравнения полученных спектральных отношений с заранее заданными значениями блок управления принимает решение о возникновении (или отсутствии) очага возгорания. В случае возникновения возгорания выходной блок формирует сигнал активации устройства пожаротушения. Л.Н. – лампа накаливания; О.В. – очаг возгорания; 1 – линзы; 2 – светофильтры; 3 – фотоприемники; 4 – блок управления; 5 – выходной блок. Рисунок 8 – Структурная схема прибора

Недостатком данного прибора является неспособность обнаружения и селекции динамической оптической помехи, что может привести к ложному срабатыванию устройства пожаротушения или к пропуску возгорания. Исходя из недостатка прибора были предложены следующие подходы к совершенствованию конструкции ОЭП ДСО с целью обеспечения его помехоустойчивости динамическим оптическим помехам: 1. Использование спектральных диапазонов контроля выбранных с учетом особенностей спектров излучения очага возгорания и оптической помехи; 2. Использование дополнительных каналов прибора (аппаратная избыточность); 3. Применение дополнительных алгоритмов обработки сигналов каналов (отношений сигналов) прибора (программная избыточность). Для проверки возможности применения выбранных способов совершенствования прибора, необходимо разработать компьютерную модель прибора, с помощью которой будут проводиться исследования работы ОЭП ДСО. 2.2 Аналитические зависимости и исходные данные для моделирования А. Модель расчета спектрального потока излучения очага возгорания на фотоприёмниках оптической системы ОЭП ДСО. Типичный очаг возгорания для контроля ОЭП ДСО – огненный шар с постоянной по объему температурой, возникающий при горении метановоздушной смеси [23]. В работе [1] приводится зависимость (12) для расчета спектрального потока излучения очага возгорания на фотоприёмнике оптической системы для отдельного канала ОЭП ДСО:

Doc 2ΔAоч ΔΦeоч (λ)= ε Tп (λ)τ c (λ)τ o (λ) M e (T ,λ), 4lоч 2 (12) где T – температура очага возгорания, К;  – длина волны, м; εTп() – спектральный коэффициент излучения очага возгорания; Dос – диаметр входного зрачка оптической системы, м; ΔAоч – видимая площадь источника излучения, м2; lоч – расстояние до источника излучения, м; τс() – коэффициент пропускания промежуточной среды; τо() – коэффициент пропускания оптической системы; Ме(λ,T) – спектральная энергетическая светимость абсолютно черного тела, Вт/м2. Коэффициент излучения очага возгорания в виде огненного шара получен на основе результатов исследований, приведенных в работе [23] и рассчитывается по формуле (13):   Tп ()  1   2 2 e Dk (  )  (1  e  D 2 Dош k ( ) ( Dош k ( )) ош k (  )  ) ,  (13) где Dош – диаметр огненного шара, м; k(λ) – спектральный коэффициент поглощения газа, м-1 [23,24]. Спектральный коэффициент поглощения k(λ) рассчитывается методом полинейного счета с использованием информационно-вычислительной системы «Спектроскопия атмосферных газов» [23,425]. Расчет коэффициента поглощения выполнялся с учетом реакции горения метановоздушной смеси для объемных долей продуктов горения [23,27]. Расчет коэффициента пропускания промежуточной среды выполняется с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера на основе данных о спектральном безразмерном коэффициенте ослабления kП(λ) излучения газодисперсной системы угольная пыль-воздух и средней удельной поверхности пыли F, м2/г [26,28]:  c ( )  e  k П (  ) FLC , (14) где L – длина поглощающего слоя пыли определяется расстоянием между очагом и прибором, м; C – концентрация угольной пыли, г/м3.

Безразмерный спектральный коэффициент поглощения (рисунок 9) определен на основе ранее полученных на базе теории Ми данных о спектральной поглощательной способности a газодисперсной системы угольная пыль-воздух из работ [26,28]. Значение средней удельной поверхности пыли составляет F = 0,34 м2/г. Рисунок 9 – Спектральный безразмерный коэффициент ослабления kП(λ) излучения газодисперсной системы «угольная пыль-воздух» Согласно работе [1] коэффициент пропускания оптической системы принимался равным 0,6. Спектральная энергетическая светимость (полусферическая) абсолютно черного тела Me(λ,T) рассчитывается по формуле Планка (15): M e ( , T )  2 C1 ,  (eC / T  1) 5 (15) 2 где C1 = 3,7415·10–16 Втм2; C2 = 1,43879·10–2 мК [1]. Б. Модель расчета спектрального потока излучения динамической оптической помехи на фотоприёмниках оптической системы ОЭП ДСО. Типичная динамическая оптическая помеха представляет собой излучение лампы накаливания, возникающее при включении и выключении источника питания лампы.

Для расчета потока на фотоприёмнике оптической системы ОЭП ДСО для отдельного канала прибора от излучения оптической помехи необходимо дополнить зависимость (16) коэффициентом пропускания колбы лампы накаливания (формула 5): Dос 2ΔA ΔΦeп (λ)= ε(λ,Tм )τc (λ)τo (λ)τк (λ)Me (Tм ,λ), 4l2 (16) где (,Tм) – спектральный коэффициент излучения вольфрама; τк() – коэффициент пропускания колбы лампы. В данной формуле в качестве температуры принимаются различные значения температуры тела накала исходя из динамики ее изменения во времени. В ходе аппроксимации данных в работе [19], был получен спектральный коэффициент излучения вольфрама, который имеет вид (17):   a  b ln()  cT  d ln()2  eT 2   fT ln()  g ln()3  hT 3  iT 2 ln()  jT ln()2 , (17) где a = 98,2273; b = 22,6349; c = 22,710-4; d = 1,7198; e = 6,399410-9; f = 29,692210-5; g = 0,0430; h = -6,369410-13; i = 2,058310-10; j = 9,552610-6. В. Расчет отношений сигналов Решение, принимаемое ОЭП ДСО о том, присутствует ли в его угловом поле очаг возгорания, должно быть достоверным, то есть прибор должен иметь способность осуществлять различение полезного сигнала и сигналов от оптических помех [1,29,30]. В данном приборе существует 3 канала и для них могут быть определены отношения (18,19,20): Q1  k1 ( I 2 / I1 ), (18) Q2  k2 ( I 2 / I 3 ), (19) Q3  k3 ( I 3 / I 2 ), (20) где In – ток, протекающий через фотоприёмники каналов 1,2 и 3, А; k1, k2, k3 – корректирующие коэффициенты.

Отношение Q3 является избыточным, так как получено из двух других и в дальнейшем не используется. Выходной сигнал (ток) фотоприемника определяется формулой (21): λi  Δλi 2 λi  i I i   Si (λ)e (λ)dλ, Δλ (21) 2 где Si(λ) – спектральная токовая чувствительность фотоприёмника канала i; i – центральная длина волны фильтра в канале i, м; i/2 – полуширина пропускания фильтра в канале i; Фе(λ) – спектральный поток излучения, приходящий на фотоприёмник, определяемый по выражениям (1, 6) [1]. Корректирующие коэффициенты (k1, k2, k3) учитывают изменение чувствительности фотоприемника по длине волны. После коррекции отношения (Q) определяются отношениями значений потоков (Фе) в диапазонах i±i/2. Спектральная чувствительность фотоприемника определяется из технической документации на выбранные фотоприёмники. В результате сформулированы анализа исходные литературных данные источников для [1, моделирования 23, 19] работы быстродействующего ОЭП ДСО обнаружения возгорания на ранней стадии при воздействии на входной зрачок динамической оптической помехи (таблица 2). Таблица 2 – Исходные данные для моделирования Параметр Диаметр входного зрачка оптической системы, Dос Видимая площадь источника излучения помехи, A Видимая площадь источника излучения очага, Aоч Расстояние до источника излучения помехи, l Расстояние до источника излучения очага, lоч Значение 30 мм 110-3 м2 1,5 м2 1м 10 м

Температура очага возгорания, T Диаметр огненного шара Средняя удельная поверхность пыли, F Коэффициент пропускания оптической системы Концентрация угольной пыли 2000 К 1м 0,34 м2/г 0,6 0,03 г/м3 Рассчитывается с использованием Спектральный коэффициент поглощения ИВС "Спектроскопия атмосферных k(λ) газов" [2] 700 нм Начальная длина волны, нач 5000 нм Конечная длина волны, кон На основе аналитических зависимостей будут получены значения отношений сигналов каналов при различных спектральных диапазонах контроля. 2.3 Результаты моделирования Моделирование прибора выполнялось на основе исходных данных (табл. 2) при помощи программного комплекса Matlab и среды разработки RAD Studio Community Edition фирмы Embarcadero Technologies, работающая под Microsoft Windows на языке Object Pascal. Программный комплекс Matlab использовался для получения температуры колбы лампы в зависимости от времени. Среда разработки применялась для создания программного обеспечения, позволяющего произвести моделирование ОЭП ДСО. При проведении моделирования были получены спектральные потоки излучения очага возгорания (рисунок 10) и оптической помехи в виде лампы накаливания (рисунок 11).

Рисунок 10 – Спектральный поток излучения очага возгорания при температуре 2000 K Рисунок 11 – Спектральный поток излучения лампы накаливания при максимальной температуре 2500 K По спектральному потоку очага возгорания (рисунок 10) были определены центральные длины волн i для контроля обнаружения возгорания прибором в соответствии с максимумами потока: 1350; 1450; 1800; 1950; 2500; 2700; 2950 и 4300 нм. Определены диапазоны контроля в соответствии с выбранными центральными длинами волн: 1350±50; 1450±50; 1800±50; 1950±50; 2500±50; 2700±50; 2950±50 и 4300±50 нм. Для выбранных

диапазонов определены отношения потоков излучения очага возгорания (таблица 3) и потоков излучения лампы накаливания при температуре 2500 К (таблица 4). Таблица 3 – Отношения для очага возгорания при температуре 2000 K i, нм 1350 1450 1800 1950 2500 2700 2950 4300 1350 1 0,932 1,97 1,609 5,34 10,97 2,595 8,135 1450 1800 1950 2500 2700 2950 4300 1 2,114 1,727 5,73 11,78 2,784 8,729 1 0,817 2,711 5,573 1,317 4,13 1 3,318 6,822 1,612 5,055 1 2,056 0,486 1,523 1 0,236 0,741 1 3,135 1 Таблица 4 – Отношения для лампы накаливания, при максимальной температуре 2500 K i, нм 1350 1450 1800 1950 2500 2700 2950 4300 1350 1 0,866 0,533 0,43 0,206 0,164 0,115 0,04 1450 1800 1950 2500 2700 2950 4300 1 0,616 0,496 0,238 0,19 0,132 0,046 1 0,805 0,386 0,308 0,214 0,075 1 0,479 0,382 0,266 0,093 1 0,797 0,555 0,193 1 0,696 0,242 1 0,348 1 Отношения составлялись на основе рекомендаций [1] и с учетом формул (18-20), используя базовый диапазон длин волн. В качестве базового диапазона длин волн для расчета I2 выбирается 2700±50 нм, в качестве диапазонов длин волн для расчета I1 и I3 выбраны диапазоны 1350±50 и 4300±50 нм соответственно. Составленные отношения следующими зависимостями: Q27001350  k1 I 2700 I 2700 Q  k 2700  4300 2 I 4300 . I1350 ; определяются

Выбор диапазонов длин волн для отношения сигналов Q2700-1350 осуществлялся, исходя из того, что значения Q2700-1350 значительно отличаются для различных видов сигналов (для очага возгорания – 10,97; для лампы накаливания – 0,164), что, позволяет обнаружить излучение очага возгорания на фоне оптических помех. Рабочая длина волны третьего канала I3 выбирается вдали от максимума спектрального потока излучения лампы накаливания, что позволяет свести к минимуму ложные срабатывания прибора. В результате рабочий диапазон третьего канала был принят равным 4300±50 нм, поскольку в данном диапазоне сосредоточена значительная доля энергии излучения очага возгорания. Для отношений характеристики потоков изменения и Q2700-1350 отношений в Q2700-4300 были получены зависимости от изменения температуры лампы накаливания (рисунок 12). Рисунок 12 – Изменение отношений Q2700-1350 и Q2700-4300 в зависимости от изменения температуры лампы накаливания Из данных приведенных на рисунок 12 видно, что отношения Q2700-1350 характеризуется значениями от 3,2 до 4,1, а отношение Q2700-4300 – значениями от 1,1 до 0,164.

При выполнении работы было проведено моделирование суммарного поток излучения очага возгорания и лампы накаливания на входной зрачок прибора (рисунок 13). Доли потока излучения от очага возгорания и лампы накаливания в суммарном потоке принимались равными. Рисунок 13 – Спектральный поток суммарного излучения очага возгорания и лампы накаливания при температуре 2500 К Была построена характеристика изменения отношений суммарного потока в зависимости от температуры лампы накаливания (рисунок 14). Рисунок 14 – Изменение отношений Q2700-1350 и Q2700-4300 суммарного потока в зависимости от температуры лампы накаливания

Из рисунок 14 видно, что изменение температуры лампы накаливания оказывает слабое влияние на изменение отношения Q2700-4300 и его можно не учитывать. Отношение Q2700-1350 изменяется существенно вследствие этого достаточно сложно идентифицировать возгорание по одному каналу, поскольку происходит совпадение значений отношений при температуре 2000 К. В таблице 5 представлены значения рассчитанных отношений для очага возгорания Qоч и лампы накаливания Qлн при различных температурах, а также при их суммарном излучении. Таблица 5 – Отношения на выбранных спектральных диапазонах при различной температуре лампы накаливания T, K 1200 Qлн 27001,09 1300 1400 1500 2000 2300 2400 2500 0,85 0,59 0,51 0,24 0,19 0,17 0,16 3,24 3,39 3,59 3,66 4,01 4,09 4,11 4,12 - - - - 10,97 - - - - - - - 1,34 - - - 9,58 8,72 6,92 6,08 1,89 1,11 0,89 0,5 1,36 1,367 1,38 1,38 1,45 1,50 1,54 1,56 1350 Qлн 27004300 Qоч 27001350 Qоч 27004300 Qсум 2700-1350 Qсум 2700-4300 Исходя из данных приведенных в таблице 5 видно, что идентификация ситуации выполнится только при учете отношений двух каналов исходя из условий: Ситуация Очаг возгорания Помеха (излучение накаливания) Очаг + помеха лампы Отношения Q 2700-1350 10,97 Q2700-4300 1,34 От 0,16 до 1,1 От 3 до 4 невозможность контроля От 1,34 до 1,56

Для более достоверного обнаружения очага возгорания на фоне динамической оптической помехи необходимо проведение дополнительных исследований. Разработанное ПО позволяет автоматизировать необходимые расчеты для определения спектральных диапазонов. На текущем моменте ПО было апробировано и отлажено на очаге возгорания, излучение которого определяется только излучением продуктов горения CO2 и H2О. Данное ПО будет использоваться в дальнейших исследованиях по выбору спектральных диапазонов с учетом различных очагов возгорания с характерными спектрами – горение угольной пыли, горение метана со свечением обусловленным наличием излучения частиц сажи. Только после проведения дополнительных исследований можно будет принимать решение о том, как модифицировать работу прибора, какие алгоритмы обработки применять. 3 РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСТАНОВОК И МЕТОДИК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 3.1 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по длине волны Конструкция лабораторной установки для получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по длине волны приведена на рисунок 15.

Рисунок 15 – Структурная схема лабораторной установки Излучение от источника оптической помехи в виде лампы накаливания поступает на монохроматор. Монохроматор выделяет излучение от источника на заданной длине волны. Монохроматическое излучение поступает на фотодиод. Фототок фотодиода преобразуется в напряжение в блоке преобразования. Напряжение поступает на блок АЦП, подключенный к персональному компьютеру, который выполняет регистрацию данных, а также выполняет управление работой монохроматора. В качестве помещения, в котором проводится эксперимент, выступает лабораторное помещение, в котором имеется возможность исключить влияние посторонних засветок на проведение эксперимента. Методика для получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по длине волны включает выполнение следующих этапов: 1. Собрать лабораторную установку по схеме, которая представлена на рис. 4. 2. Подключить источники питания к оборудованию. 3. Установить лампу накаливания и монохроматор на горизонтальной поверхности на одной оптической оси так, чтобы поток лампы поступал на приемное отверстие монохроматора. Фотодиод закреплен непосредственно за выходным отверстием монохроматора. Расстояние от источника излучения до входной щели монохроматора l=20 мм. Данное расстояние было выбрано исходя из чувствительности используемого фотодиода. 4. На монохроматоре установить длину волны излучения, для которой выполняется измерение, из диапазона длин волн от 1 до 3,5 мкм. Данный

диапазон был выбран исходя из спектральной чувствительности используемого фотодиода PD36. Спектр лампы накаливания является сплошным, что определяет выбранный достаточно низким по спектральному разрешению шаг dλ=0,2 мкм. 5. Для каждого шага по длине волны выполнить включение и выключение исследуемой лампы накаливания и провести измерения напряжения с блока преобразования с помощью блока АЦП на частоте дискретизации 50 кГц. 6. Выполнить обработку полученных данных и проанализировать результаты. Обработка экспериментальных данных выполняется согласно следующей методике: 1. Получить зависимости напряжения с блока преобразования сигнала фотодиода от времени для каждой длины волны и выбрать временные диапазоны τ1 и τ2 соответствующие включению и выключению ламп накаливания (рисунок 16). Рисунок 16 – Зависимость напряжения от времени 2. Полученные зависимости для каждой длины волны (λ, мкм) нормировать по формуле:

U n (t )  По полученным нормированной значениям величины от U i (t ) , U max построить времени. (2) графики Полученные зависимости графики были согласованы между собой в точке 0,9 (рисунок 17). Рисунок 17 – Согласование графиков нормированной величины от времени После согласования графиков нормированная величина должна быть пересчитана обратно в напряжение по формуле: U i (t )  U n (t ) , U max (3) На основе полученных данных построить графики зависимости напряжения с блока преобразования от времени для моментов включения и выключения ламп накаливания 3. Для совокупности графиков определить моменты времени t i (t1, t2, … ti) для полученных временных интервалов τn, путем разбиения временного интервала τn на отрезки равной длительности (рисунок 18). Из практических соображений количество отрезков было принято равным 10.

Рисунок 18 – Зависимость напряжения от времени 4. Для каждого момента времени ti рассчитать спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания для момента включения и выключения ламп согласно формуле: Ф(ti ,  )  U (ti ,  ) , K  S ( ) (4) где – измеренное напряжение, В; S(λ) – спектральная чувствительность фотодиода, А/Вт; K – коэффициент преобразования ток-напряжение, В/А. 5. Построить спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания для полученных моментов времени ti. 3.2 Установка и методика для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по питающему току Конструкция лабораторной установки для получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по питающему току приведена на рисуноке 19.

Рисунок 19 – Структурная схема лабораторной установки Управляющее напряжение с блока питания поступает на источник оптической помехи в виде лампы накаливания, далее излучение поступает на монохроматор. Монохроматор выделяет излучение от источника на заданном диапазоне длин волн. Монохроматическое излучение поступает на фотодиод. Фототок фотодиода преобразуется в напряжение в блоке преобразования. Напряжение поступает на блок АЦП, который передает информацию на плату синхронизации. Плата синхронизации передает информацию на персональный компьютер, который выполняет регистрацию данных, а также выполняет управление работой монохроматора. В качестве помещения, в котором проводится эксперимент, выступает лабораторное помещение, в котором имеется возможность исключить влияние дневного света на проведение эксперимента. Методика для получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по питающему току включает выполнение следующих этапов: 1. Собрать лабораторную установку по схеме, которая представлена на рисунок 19. 2. Подключить источники питания к оборудованию. 3. Установить лампу накаливания и монохроматор на горизонтальной поверхности таким образом, чтобы излучаемый пучок света попадал в приемное отверстие монохроматора. Фотодиод закрепить непосредственно за

выходным отверстием монохроматора. Расстояние от источника излучения до входной щели монохроматора установить l=20 мм. Данное расстояние было выбрано исходя из чувствительности используемого фотодиода. 4. Настроить блок питания лампы накаливания на минимальное значение тока 0,26 А. Данный ток обеспечивает минимальную температуру тела накала для которой оптическое излучение может быть зарегистрировано фотоприемником. Диапазон значения тока составляет от 0,26 до 0,4 А с шагом dI =0,02 А. Данный диапазон был выбран исходя из характеристик используемой лампы накаливания. Шаг изменения тока определяется из практических соображений и соответствует количеству спектральных характеристик, которое требуется получить. 5. Настроить монохроматор на автоматический режим работы, с шагом по длине волны dλ =20 нм, данный шаг является достаточным для измерения сплошно спектра лампы накаливания., в диапазоне длин волн от 1 до 3,5 мкм. Диапазон обусловлен спектральной чувствительностью фотоприемника. 6. Выполнить измерения излучения спектра лампы накаливания не менее пяти раз для каждого значения тока, не изменяя условия эксперимента. 7. Выполнить обработку полученных данных и проанализировать результаты. Обработка экспериментальных данных выполняется согласно следующей методике: 1. Получить зависимости значений в виде цифрового кода АЦП от длины волны для каждого значения тока. 2. Полученные данные согласовать и усреднить по пяти измерениям. 3. Для получения спектральных характеристик потока излучения лампы накаливания относительно длины волны, цифровой код АЦП пересчитать в напряжение для каждого значения тока. 4. Далее для каждого значения тока рассчитать спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания согласно формуле:

Ф( )  U ( ) , K  S ( ) (5) 5. Получить зависимости спектральной характеристики потока от времени при выключении лампы на основе данных о Ф(λ). Для этого получить зависимость тока от времени при выключении лампы накаливания с использованием схемы, приведенной на рисунке 20. Использовался режим выключения лампы, т.к. при включении изменение тока от времени изменяется более сложно и в определенные моменты превышает ток работы в установившемся режиме, что будет приводить к большой ошибке в результате обработки данных. Рисунок 20 – Структурная схема измерения тока от времени 6. На основе полученной зависимости тока от времени определить соответствие значений тока, использованных в эксперименте конкретным моментам времени (рисунок 21).

Рисунок 21 – Зависимость тока от времени 7. Построить спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания для полученных моментов времени. 4 ЛАБОРАТОРНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКИХ ПОМЕХ В ВИДЕ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ 4.1 Лабораторные установки Для исследования динамических характеристик оптических помех ранее были разработаны лабораторные установки, реализующие метод с разверткой по длине волны и метод с разверткой по питающему току. В методе с разверткой по длине волны измерение переходной функции при переключении источника питания оптической помехи происходит на фиксированной длине волны излучения. По совокупности переходных функций на различных длинах волн определяется спектр излучения помехи в различные моменты времени при нагреве тела накала (рисунок 22).

Рисунок 22 – Методика с разверткой по длине волны для получения динамических спектральных характеристик В методе с разверткой по питающему току измерение спектрального потока излучения выполняется при фиксированном значении тока питания лампы. Отдельно получают зависимость тока питания от времени при переключении источника питания, с учетом которой приводят в соответствие спектр излучения с моментом времени для фиксированного тока (рисунок 23). Рисунок 23 – Методика с разверткой по питающему току для получения динамических спектральных характеристик По разработанным конструкциям были собраны лабораторные установки для проведения исследования. Для лабораторной установки получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по длине волны (рисунок 24) в качестве источников оптических помех использовались: лампа накаливания мощностью 5 Вт питаемая от источника постоянного тока и лампа накаливания мощностью 40 Вт, питаемая от источника переменного тока.

1 – блок питания лампы накаливания; 2 – лампа накаливания; 3 – монохроматор; 4 – фотодиод; 5 – усилитель-преобразователь; 6 – блок питания ПТН фотодиода; 7 – персональный компьютер Рисунок 24 – Фотография лабораторной установки для получения динамических спектральных характеристик методикой с разверткой по длине волны Монохроматор представляет собой прибор МДР 206 [31]. Лабораторный блок питания MPS-3005L-3 фирмы MATRIX используется для подачи стабильного напряжения в блок преобразования сигнала с фотодиода (преобразователь ток-напряжение). В качестве фотодиода был выбран фотодиод PD36-10 фирмы ООО «АИБИ» [32], поскольку спектральная чувствительность фотодиода соответствует спектральному диапазону излучения лампы накаливания (рисунок 25).

Рисунок 25 – Спектральная токовая чувствительность фотодиода Блок преобразования представляет собой преобразователь токнапряжение (ПТН), выполненный на базе операционного усилителя AD8610 фирмы Analog Devices [33]. В связи с тем, что лампа накаливания работает в динамическом режиме и для регистрации данных требуется большое быстродействие АЦП, был выбран блок АЦП, обладающий частотой дискретизации 3300 кГц, представляющий собой плату L-783 фирмы L-CARD [34]. Лабораторная установка для получения динамических спектральных характеристик ламп накаливания с разверткой по питающему току (рисунок 26) содержит оборудование аналогичное используемому в предыдущей установке за исключением блока АЦП.

1 – блок питания лампы накаливания; 2 – лампа накаливания; 3 – монохроматор; 4 – фотодиод; 5 – усилитель-преобразователь; 6 – блок АЦП; 7 – блок питания ПТН фотодиода; 8 – персональный компьютер Рисунок 26 – Фотография лабораторной установки для получения динамических спектральных характеристик методикой с разверткой по питающему току Блок АЦП представляет собой блок, идущий в комплекте с монохроматором. Данный блок АЦП позволяет синхронизировать работу АЦП и монохроматора в режиме автоматического сканирования по спектру. 4.2 Результаты исследования динамических спектральных характеристик ламп накаливания С помощью разработанных методик и лабораторных установок, были произведены экспериментальные исследования динамические характеристики источников оптических помех методом с разверткой по питающему току и методом с разверткой по длине волны. В результате обработки экспериментальных данных полученных при измерении динамических спектральных характеристик лампы накаливания постоянного тока методом с разверткой по длине волны с помощью установки на рис. 3 были получены зависимости напряжения с ПТН фотодиода от времени

для разных длин волн в моменты включения и выключения лампы накаливания – переходные функции (рисунок 27). а) б) а – момент включения; б – момент выключения Рисунок 27 – Совокупность графиков зависимости напряжения от времени для каждой длины волны, в моменты включения и выключения лампы накаливании Из данных, представленных на графиках видно, что временной отрезок τn для момента включения составляет τ1=0,15 с, что меньше временного отрезка для момента выключения лампы накаливания τ2=0,3 с. Таким образом,

нагрев тела накала лампы при включении происходит быстрее остывания тела накала. Согласно методике, с разверткой по длине волны получены графики зависимости потока излучения от длины волны в разные моменты времени при включении (рисунок 28) и выключении лампы накаливания (рисунок 29). Рисунок 28 – Спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания в различные моменты времени, при включении лампы накаливания Рисунок 29 – Спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания в различные моменты времени, при выключении лампы накаливания Черная линия проходит через точки максимумов спектральных характеристик.

По полученным графикам спектральных характеристик потока излучения лампы накаливания видно, что максимумы спектральных характеристик потока излучения лампы накаливания при повышении температуры смещаются в коротковолновую область. Максимум спектрального потока излучения лампы накаливания в установившемся режиме работы находится на длине волны 1,16 мкм. Используя закон смещения Вина по максимумам спектральных характеристик была определена температура и построены графики изменения температуры от времени в момент включения (рисунок 30) и выключения (рисунок 31). Рисунок 30 – График изменения температуры от времени при включении лампы накаливания Рисунок 31 – График изменения температуры от времени при выключении лампы накаливания

Из полученных графиков видно, что температура тела накала лампы постоянного тока изменяется в диапазоне от 1390 К до 2500 К. Нижний предел температуры обусловлен чувствительностью используемого фотодиода. В результате обработки экспериментальных данных полученных при измерении динамических спектральных характеристик лампы накаливания при работе от переменного тока методом с разверткой по длине волны с помощью установки на рис. 3 были определены зависимости напряжения с ПТН фотодиода от времени для разных длин волн в моменты включения и выключения лампы накаливания – переходные функции (рисунок 32). Из данных, представленных на графиках видно, что временной отрезок τn для момента включения составляет τ1=0,07 с меньше временного отрезка для момента выключения лампы накаливания τ2=0,15 с. Таким образом, нагрев тела накала лампы при включении происходит быстрее остывания тела накала. а)

б) а – момент включения; б – момент выключения Рисунок 32 – Совокупность графиков зависимости напряжения от времени для каждой длины волны, при включении и выключении лампы накаливания Согласно методике для получения динамических спектральных характеристик излучения ламп накаливания с разверткой по длине волны получены графики зависимости потока излучения от длины волны в разные моменты времени при включении (рисунок 33) и выключении (рисунок 34) лампы накаливания. Рисунок 33 – Спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания в различные моменты времени, при включении лампы накаливания

Рисунок 34 – Спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания в различные моменты времени, при выключении лампы накаливания На спектральных характеристиках момента включения (рисунок 33) видны пульсации, обусловленные работой лампы от переменного тока. Максимум спектрального потока излучения лампы накаливания в установившемся режиме работы находится на длине волны 1,18 мкм. Используя закон смещения Вина по максимумам спектральных характеристик, была определена температура тела накала и построены графики изменения температуры от времени в момент включения (рисунок 35) и выключения (рисунок 36). Рисунок 35 – График изменения температуры от времени при включении лампы накаливания

Рисунок 36 – График изменения температуры от времени при выключении лампы накаливания Из полученных графиков видно, что температура тела накала лампы переменного тока изменяется в диапазоне от 1390 К до 2455 К. Нижний предел температуры обусловлен чувствительностью используемого фотодиода. В результате обработки экспериментальных данных полученных при измерении динамических спектральных характеристик лампы накаливания при работе от постоянного тока методом с разверткой по питающему току с помощью установки на рисунок 26 были получены графики зависимости потока излучения от длины волны в разные моменты времени (рисунок 37). Рисунок 37 – Спектральные характеристики потока излучения лампы накаливания для различных значений подаваемого тока

Максимум спектрального потока излучения лампы накаливания в установившемся режиме работы находится на длине волны 1,2 мкм. Используя закон смещения Вина по максимумам спектральных характеристик была определена температура тела накала и построен график изменения температуры от времени (рисунок 38). Рисунок 38 – График изменения температуры от времени в момент выключения лампы накаливания Из полученных графиков видно, что температура тела накала лампы постоянного тока изменяется в диапазоне от 1670 К до 2415 К. Нижний предел температуры обусловлен чувствительностью используемого фотодиода. На основе анализа полученных данных выбрана методика для исследования динамических характеристик источников оптических помех с разверткой по длине волны. В отличии от метода с разверткой по питающему току, она позволяет использовать лампы накаливания постоянного и переменного тока и дает представление об изменении спектральных характеристик в динамике при включении и выключении лампы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 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.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Тупикина, Н.Ю. Оптико-электронный прибор двух спектральных отношений для контроля взрывоопасной пылегазовой атмосферы [Текст]: диссертация кандидата технических наук: 05.11.13 – Бийск, 2017. – 164 с.: ил. 2. Герасимов, Д.А. Исследование динамических характеристик очага возгорания на начальной стадии в пирометрическом датчике пожарной сигнализации/ Д.А. Герасимов, И.С. Зорин, Е.В. Сыпин // Южно-Сибирский научный вестник. – 2014. – № 2(6). – С. 128–131. – Режим доступа: http://ssibsb.ru/images/articles/2012/2/40_161-164.pdf. 3. Якушенков, Ю.Г. Основы оптико-электронного приборостроения: учебник [Текст] / Ю.Г. Якушенков. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Логос, 2013. – 376 с. 4. Мирошников, М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов: учебное пособие [Текст] / 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: Издательство «Лань», 2010. – 704 с. 5. Ишанин, Г.Г. Источники и приёмники излучения: учебное пособие для студентов оптических специальностей вузов [Текст] / Г.Г. Ишанин, Э.Д. Панков, А.Л. Андреев, Г.В. Польщиков. – СПб.: Политехника, 1991. – 240 с. 6. Fu L. “Physical modeling of filament light sources”,J [Текст] / Appl. Phys. 100, 103528 (2006). 7. Fu L. “Increasing the brightness of light sources” [Текст] / Dissertationzur Erlangung des Doktorgrades der Naturwissenschaften (Philipps Universität, 2006). 8. Ojanen. Spectral irradiance model for tungsten halogen lamps in 340-850 nm wavelength range / Applied optics. 49. 880-6. 10.1364/AO.49.000880. 9. MacIsaac D. Basic physics of the incandescent lamp (light bulb) [Текст] / The Physics Teacher, 37, 520–525. 10. Austin B. "Simple Experiments and Modeling of Incandescent Lamp Spectra," / Georgia Journal of Science, Vol. 73, No. 2, Article 6.

11. Clauss D.A. Hysteresis in a light bulb: connecting electricity and thermodynamics with simple experiments and simulations / D.A. Clauss, R.M. Ralich, R.D. Ramsier // Department of Physics, University of Akron, Akron, 2001. 12. Joiner K.L. Optoelectronic chaos in a simple light activated feedback circuit / K.L. Joiner, F. Palmero, R. Carretero-Gonzalez // International Journal of Bifurcation and Chaos, 2016. 13. Fangjing H. Modelling Miniature Incandescent Light Bulbs for Thermal Infrared ‘THz Torch’ Applications / H. Fangjing, S. Lucyszyn // J Infrared Milli Terahz Waves, 2015. 14. Сидоренко, А.И. Установка для экспериментального исследования систем взрывоподавления [Текст] / А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е.В. Сыпин // Датчики и системы. – 2013. – № 10. – С. 27–31. 15. Gerasimov D. A., Sypin E. V. Research of dynamic characteristics of the artificial sources of optical interference // International conference and seminar on micro/nanotechnologies and electron devices EDM`2013: Conference proceedings. – Novosibirsk: NSTU Publishing polygraph center, 2013 16. Нецепляев, М.И. Борьба со взрывами угольной пыли в шахтах [Текст] / М.И. Нецепляев [и др.]. – М.: Недра, 1992. – 298 с.: ил. 17. ГОСТ Р 53325-2012. Техника пожарная. Технические средства пожарной автоматики. Общие технические требования. Методы испытаний. [Текст]. – Введ. 2014–01–01. – М.: Стандартинформ, 2012. – 270 с. 18. Agrawal D.C. Efficiency and efficacy of incandescent lamps / D.C. Agrawal, H.S. Leff, V.J. Menon// American Journal of Physics, 1995. 19. Латыев, Л.Н. Излучательные свойства твердых материалов: справочник [Текст] / Л.Н. Латыев, В.А. Петров, В.Я. Чеховский, Е.Н. Шестаков. – М.: Энергия, 1974. – 474 с. 20. Свойства и плотность вольфрама [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/metally-i- splavy/teploprovodnost-i-svojstva-volframa

21. Lawrence D. Seeing the Light:The Physics and Materials Science of the Incandescent Light / Dr. Lawrence D. Woolf // General Atomics, San Diego, 2002. 22. Matlab [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.mathworks.com/ 23. Лисаков, С.А. Компьютерное моделирование излучения пламени при горении метановоздушных смесей на начальной стадии развития [Текст] / С.А. Лисаков, А.И. Сидоренко, А.Н. Павлов, Е. В. Сыпин, Г. В. Леонов // Вестник ВГУ, серия: системный анализ и информационные технологии. – 2016. – № 3. 24. Морозов, Д.О. Баротермическое действие взрыва: ударная волна и термическое поражение / Д.О. Морозов, К.Л. Степанов // Горение и плазмохимия. – 2013. – том 11. – № 1. – С. 57-70. 25. Михайленко С.Н., Бабиков Ю.Л., Головко В.Ф. Информационновычислительная система "Спектроскопия атмосферных газов". Структура и основные функции // Оптика атмосферы и океана. 2005. Т. 18, № 09. С. 765776. 26. Lisakov S.A. Modeling of Concentration Electro-Optical Sensors for Gas and Coal Dust in Multicriterial Electro-Optical Device for Control of the Emergency and Pre-emergency Situations in Coal Mines / Lisakov S.A, A.I. Sidorenko, I.S. Zorin, E.V. Sypin // International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Elec-tron Devices EDM 2018 Conference proceedings. – Novosibirsk: NSTU, 2018. – P. 391–402. 27. Айруни, А.Т. Взрывоопасность угольных шахт [Текст] / А.Т. Айруни, Ф.С. Клебанов, О.В. Смирнов. – М: Издательство «Горное дело», 2011. – 264 с. 28. Lisakov S.A., Sypin E.V., Pavlov A.N., Mikhanoshina J.L., Leonov G.V. Determination of Optical Radiation Attenuation in Dispersed System «Coal DustAir», 16th International Micro/Nanotechnologies and Conference Electron of Devices proceedings, Novosibirsk: NSTU, 2015, pp. 353–358. Young EDM Specialists 2015: on Conference

29. Якушенков, Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: учебник / Ю.Г. Якушенков. – М.: Логос, 2011. – 568 с. 30. Якушенков, Ю.Г. Методы борьбы с помехами в оптико-электронных приборах / Ю.Г. Якушенков, В.Н. Луканцев, М.П. Колосов. – М.: Радио и связь, 1981. – 180 с.

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв