Лазерный оптический дымовой пожарный извещатель

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(54) ЛАЗЕРНЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ДЫМОВОЙ ПОЖАРНЫЙ ИЗВЕЩАТЕЛЬ(71) Заявитель Учреждение Научноисследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь(72) Авторы Кицак Анатолий Ильич Поляков Владимир Евгеньевич Есипович Дмитрий Леонидович Сучек Виктор Михайлович(73) Патентообладатель Учреждение Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь(57) Лазерный оптический дымовой пожарный извещатель, содержащий дымовую камеру,в которой последовательно установлены полупроводниковый лазер, фазовая дифракционная решетка для деления лазерного излучения на два пучка равной интенсивности с возможностью вращения его вокруг оси направления распространения излучения, линза для фокусировки пучков в канал транспортировки частиц дыма и пыли и линза для сбора излучения, рассеянного на частицах дыма и пыли, на фотоприемник. Фиг. 1 Изобретение относится к средствам пожарной сигнализации, а именно к устройствам датчиков дыма, и может быть использовано в системах автоматической пожарной сигнализации в качестве оптического дымового пожарного извещателя. Известен дымовой пожарный извещатель с защитой от воздействия частиц пыли, вызывающих ложные состояния Пожар 1. Извещатель включает дымовую камеру, светодиод, фотодиод, турбину для нагнетания воздуха в дымовую камеру, защитные сетки,закрепленные на входных и выходных окнах дымовой камеры. Размер ячеек сетки состав 17631 1 2013.10.30 ляет - 30 мкм. Ввиду того, что средний размер частиц дыма примерно на порядок меньше размера ячейки сетки, они беспрепятственно проходят через сетку, в то время как частицы пыли, размер которых больше размера ячейки, задерживаются ею. Недостатком данной конструкции извещателя является необходимость проведения частых технических обслуживаний, связанных с очисткой сеток, а также усложнение конструкции извещателя в результате применения турбины. Наиболее близким по техническому решению к предлагаемому изобретению является лазерный дымовой пожарный извещатель с острой фокусировкой излучения внутри камеры 2, 3. Он состоит из дымовой камеры, лазерного источника излучения, приемника излучения, интегрального оптического элемента для фокусировки излучения в объеме камеры. Вследствие высокой плотности яркости излучения в пятне фокусировки основная доля рассеянного частицами дыма света попадает в приемник излучения именно с этой области освещения камеры. Частицы пыли, которые обычно совершают хаотическое движение и сильно разбросаны по пространству, попадая в сфокусированное пятно, формируют отдельные яркие всплески рассеянного излучения, производящие на выходе приемника извещателя кратковременные сигналы. Данные сигналы являются ключом для дискриминации частиц пыли. Контролером извещателя они воспринимаются как случайные выбросы, которые игнорируются. Надежность используемого алгоритма селекции частиц дыма не высока, поскольку при большой концентрации частиц пыли сигналы, производимые ими, могут не отличаться от сигналов, вызываемых частицами дыма. Задачей изобретения является повышение устойчивости работы оптического дымового извещателя при наличии в защищаемой области пространства частиц пыли. Эта задача решается конструкцией лазерного оптического дымового пожарного извещателя, содержащей дымовую камеру, в которой последовательно установлены полупроводниковый лазер, фазовая дифракционная решетка для деления лазерного излучения на два пучка равной интенсивности с возможностью вращения ее вокруг оси направления распространения излучения, линзу для фокусировки пучков в канал транспортировки частиц дыма и пыли и линзу для сбора излучения, рассеянного на частицах дыма и пыли, на фотоприемник. Оптическая схема предлагаемой конструкции извещателя представлена на фиг. 1. Она включает миниатюрный полупроводниковый лазер 1 с малой угловой расходимостью генерируемого излучения, дифракционный элемент 2, расщепляющий падающий на него световой пучок на два пучка равной интенсивности, линзу 3 для фокусировки пучков в канал транспортировки частиц дыма и пыли 4, линзу 5, собирающую излучение, рассеянное частицами дыма и пыли, на приемник 6. Принцип работы извещателя состоит в следующем. Излучение полупроводникового лазера 1 направляется на дифракционный элемент 2. Дифракционный элемент представляет собой фазовую решетку с заданным периодом, профилем штриха и высотой рельефа. На выходе элемента формируются два пучка излучения равной интенсивности. Линзой 3 данные пучки сводятся в канал транспортировки частиц дыма и пыли 4. В области пересечения световых пучков формируется интерференционная картина, период которойравен(1) 2/ 2 Здесь- длина волны излучения,- показатель преломления среды, в которой распространяются пучки,- угол схождения пучков. При прохождении частиц дыма или пыли через объем локализации интерференционного поля появляется рассеянное частицами излучение с изменяющейся во времени интенсивностью. Данное излучение собирается линзой 5 на фотоприемнике 6. Фотоприемник формирует фототок, который усиливается и обрабатывается контролером извещателя. Если средний размер частиц меньше или равен периоду интерференционного поля,фотоприемник формирует амплитудно-модулированный фототок. Его основными характеристиками являются частота модуляциипропорциональная проекции вектора скоро 2 17631 1 2013.10.30 сти частицына перпендикуляр к биссектрисе угла пересекающихся в объеме камеры световых пучков, и число периодов колебаний сигнала . При максимальном значении проекции вектора скорости данные параметры равны соответственно, где 0 - эффективный радиус зоны локализации интерференционного поля. Если размер частицы, движущейся в интерференционном поле, превышает размер пространственного периода поля, частота и число периодов колебаний фототока изменяются. Поэтому характерные для заданного типа дыма (среднего размера частиц дыма и их средней скорости) значенияимогут быть выбраны в качестве критериев селекции частиц дыма по размерам. Реализация на практике данных критериев может осуществляться путем настройки усилителя сигнала извещателя на работу в заданном узком диапазоне частот в области значенийи цифровой обработкой сигнала для определения параметраи соответствия его заданному интервалу значений . Для апробирования функциональных свойств предложенной оптической схемы дымового извещателя был проведен модельный эксперимент. В качестве источника излучения использовался непрерывный полупроводниковый лазер типа 1016 мощностью 30 мВ,генерирующий излучение с длиной волны 670 нм. Деление излучения на два пучка осуществлялось дифракционным элементом с пространственным периодом, равным 200 мкм. Пучки сводились фокусирующей линзой в открытом пространстве. В области перекрытия пучков формировалась интерференционная картина с пространственным периодом 17,6 мкм. Эффективный диаметр зоны локализации интерференционного поля 053 мкм. За областью локализации интерференционного поля располагалась вторая фокусирующая линза, которая служила для сбора рассеянного частицами излучения на фотоприемник марки ФД-24 Д. Сигнал, производимый фотоприемником, регистрировался осциллографом серии -2000 В. Моделью дымового образования служил транспарант с изображением хаотически расположенных темных кружков диаметром, равным 14 мкм. Данный транспарант вводился резким поступательным движением в плоскость интерференционной картины. Пылевая среда формировалась частицами муки, распыляемой над областью локализации того же интерференционного поля. На фиг. 2 (а, б) изображены типично реализуемые в эксперименте осциллограммы фототоков и соответствующие им амплитудные спектры, формируемые движущимся транспарантом (а) и крупногабаритной частицей мучной пыли (б). Видно, что данные фототоки отличаются друг от друга своей временной структурой. Если фототок, производимый частицами движущегося транспаранта, характеризуется выраженной временной модуляцией амплитуды, то фототок, обусловленный движущейся частицей мучной пыли, имеет форму одиночного импульса. Соответственно отличаются также спектры частот фототоков. В спектре фототока, формируемого транспарантом, ярко выражена по интенсивности одна частотная компонента, в то время как в спектре фототока мучной пыли наблюдается целый ряд интенсивных частот. Различие в спектрах частот фототоков, производимых частицами различных размеров, позволяет селектировать извещателем сигналы с характерной частотой модуляции амплитуды, соответствующие определенному диапазону размеров частиц и их скоростей, и дискриминировать сигналы, производимые частицами, размеры которых превышают период интерференционного поля. Изменяя длину волны лазерного излученияи угол схождения интерферирующих пучков , можно управлять периодом интерференционного поля и энергетическими параметрами рассеяния детектируемых частиц. Эти возможности позволяют настраивать извещатель на регистрацию аэрозоли дыма определенной природы (с характерным средним размером частиц продуктов горения). 17631 1 2013.10.30 Наличие периодической модуляция интенсивности излучения в пятне фокусировки предложенной схемы извещателя является характерным признаком для формирования дополнительного к обычной фокусировке алгоритма селекции сигналов, производимых частицами с определенными размерами. Данный фактор позволяет повысить надежность работы дымового извещателя в запыленных помещениях. Источники информации 1. Неплохов И.Г. Противопожарная защита чистых помещений // Стройпрофиль.2. - 2007. 2. Патент 6150935, МПК 08 29/00, 2000. 3. -, .-.///-2461. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4