Разработка волоконно-оптического пожарного извещателя окиси углерода и дыма

Цель работы
/18
- Теоретическое обоснование принципов работы, проектирование и расчет структурных элементов, входящих в сенсор.

Задачи
/18
Исследовать механизм взаимодействия частиц дыма и оксида углерода с лазерным излучением;
разработать оптическую линзовую систему чувствительного элемента;
оценить энергетические дифракционные потери в чувствительном элементе;
оценить итоговое затухание в системе.

Поглощение излучения газами
Иллюстрация 1 - Поглощение излучения в ближнем ИК-диапазоне.
/18
[1] Ослабление оптических и инфракрасных волн в атмосфере [Электронный ресурс]: науч. журн. «Радиотехнические системы» – А.Н. Сенченко, А.С. Злыгостев, 2010. – URL: http://rateli.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st078.shtml
.

Поглощение излучения газами
Иллюстрация 2 - Поглощение излучения в ближнем ИК-диапазоне.
/18
[2] Респираторный мониторинг [Электронный ресурс]: Электрон. страница. ООО «ОКУЛЮС 2000» – А.А. Антонов, 2009. – URL: http://rateli.ru/books/item/f00/s00/z0000000/st078.shtml
[3] Бухштаб, М.А. Поток излучения / М.А Бухштаб, А.М. Прохоров. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. - Т. 4. - с. 704.
.
(1)
где Nм - количество молекул газа,
λ - длина ИК излучения,
n – показатель преломления воздуха.
где Ф0 и Ф – потоки излучений до и после прохождения через толщу поглощающих газов.
(2)

Поглощение излучения газами
/18
[4] ГОСТ 12.1.005-88 Система стандартов безопасности труда (ССБТ). Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны (с Изменением N 1). Издания. Международный стандартный книжный номер. Использование и издательское оформление. – М.: Стандартинформ, 2008. – 95 с.
.
Nм при 25 ppm для СО2 и 17,5 ppm для СО [4], Lпучка=0,1 м, d пучка =0,02 м;
n - показатель преломления воздуха;
Ф0 = 1 Вт; λ1=4,2 мкм и λ2=4,7 мкм.

Поглощение излучения дымом
(3)
/18
[5] Patterson, E.M., Measurements of visibility vs. Mass-concentration for air-borne soil particles / E.M. Patterson, D.A. Gillette // Atmospheric Environment, vol.11 – 1977. – №2. – pp. 193-196.
.
где ε' и ε'' – действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости частиц дыма,
М – концентрация частиц дыма,
λ – длина волны оптического лазерного излучения,
С = 2.3·10-3 – постоянный коэффициент [5].

Поглощение излучения дымом
/18
Иллюстрация 3 – Зависимость ослабления излучения от концентрации дымовых частиц.
[6] S. N. Mosentsov, V. I. Kazakov. "Development of a device for the detection and processing of the testing signals of the fiber-optic smoke fire detector" Proceedings of international conference WECONF 2017
.

Взрывобезопасный пожарный извещатель
Иллюстрация 4 – Структурная схема пожарного извещателя.
/18
[7] Казаков, В.И. Взрывобезопасный волоконно-оптический пожарный извещатель. Математическая модель чувствительного элемента / В.И. Казаков, О.Д. Москалец, Л.Н. Пресленев // Датчики и системы. – 2015. – №2. – с. 3-5.

Оценка дифракционных потерь
Иллюстрация 5 – Схематичное представление элементов конденсора.
/18
[8] Kazakov, Vasily I., Sergey N. Mosentsov, and Oleg D. Moskaletz. "Influence of aperture lens system on optical information processing." SPIE Optical Engineering+ Applications. International Society for Optics and Photonics, Vol. 9598, 959809-1-9, 2015.

Оценка дифракционных потерь
Иллюстрация 6 – Зависимость доли потерянного излучения от расстояния между входной и выходной апертурой конденсора.
/18
D=0.05 м

Оценка дифракционных потерь
Иллюстрация 7 – Зависимость доли потерянного излучения от размера выходной апертуры конденсора.
/18
Z=0.015 м

Оценка дифракционных потерь
Иллюстрация 8 – Графическое положение точек решения.
/18
Параметры системы:
1. Длина волны оптического излучения: λ1 = 4.2·10-6, λ2 = 4.7·10-6 (м)
2. Диаметр линз: d = 0.02 (м)
3. Протяженность контролируемой извещателем зоны: L=0.05 (м)
Иллюстрация 9 – Общий вид функции решения для заданных параметров.

Выбор оптического волокна
Иллюстрация 10 – Функция пропускания волокна поставщика «Специальные системы. Фотоника».
/18
[9] Окна из селенида цинка (ZnSe) [Электронный ресурс]: сайт компании «Специальные Системы. Фотоника» - 2018 – URL: http://sphotonics.ru/catalog/uf_ik-optika/Zinc_Selenide_Windows/

Выбор оптического волокна
Иллюстрация 11 – Функция затухания света в волокне поставщика «CorActive».
/18
[10] IR FIBERS [Электронный ресурс]: сайт компании «Coractive» - 2016 – URL: http://sphotonics.ru/catalog/uf_ik-optika/Zinc_Selenide_Windows/

Расчет итогового затухания
/18
(4)
(5)
,

Расчет итогового затухания
/18
.
,

По данным зависимости затухания ИК-излучения от длины волны в атмосфере, определены длины волн максимального поглощения CO и CO2;
Построено семейство графиков, наглядно отражающих интенсивность поглощения ИК-излучения в дымовых завесах разных концентраций;
Определен вклад дифракционных потерь в общую картину затухания;
Произведен расчет затухания оптического сигнала для λco2 и λсо;
Спроектированный извещатель является абсолютно взрывобезопасным и может найти применение на объектах с повышенной взрывоопасностю.
/18
Заключение