Датчик дыма
Полезная модель относится к автоматической пожарной сигнализации и может использоваться для обнаружения загорании, сопровождающихся появлением дыма. Датчик дыма содержит излучатель 1, расположенный в канале 4, находящемся за вершиной второго отражателя, выполненного в виде полого усеченного прямого зеркального конуса 5. Внутренняя поверхность конуса 5 оптически сопряжена с первым сферическим зеркальным отражателем 2, в заднем фокусе которого расположен излучатель 1. Вне зоны оптических лучей, являющейся областью, чувствительной к дыму, расположены оптически сопряженные третий зеркальный сферический отражатель б и плоскость 7 с диффузно отражающей поверхностью, перпендикулярная главной оптической оси третьего отражателя и имеющая отверстие, соосное с третьим отражателем 6 и за которым расположен фотоприемник 3. Для упрощения изготовления датчика второй отражатель 5 может быть выполнен в виде плоского зеркала, имеющего отверстие, соосное с первым отражателем 2, со свойством диафрагмирования потока излучения, направленного на первый отражатель. Такое конструктивное расположение элементов датчика обеспечивает замкнутость хода оптических лучей из излучателя 1 без попадания на фотоприемник 3. Но при наличии дыма между этими элементами рассеянный частицами дыма поток излучения собирается на фотоприемнике. Таким образом, регистрируется излучение, рассеянное дымом, почти по всем направлениям, что повышает чувствительность датчика, вследствие чего можно уменьшить энергопотребление или габариты датчика.
сигнализации, а именно к датчикам дыма, предназначенным для использования в оптико-электронных пожарных извещателях для обнаружения загораний, сопровождающихся появлением дыма в закрытых помещениях различных зданий и сооружений.
Известен датчик дыма (Патент РФ №2037883, МКИ G 08 B 17/10, "Датчик дыма", опубл. БИ №17, 1995) - [1], в котором рабочая область (в форме конуса) для дыма, от которой происходит рассеяние оптического излучения, сформирована излучателем (светодиодом) через первую фокусирующую линзу. При появлении дыма рассеянное вперед излучение преимущественно частицами черного дыма попадает внутрь полого конусного отражателя и фокусируется второй линзой на фотоприемник. А излучение, рассеянное во все направления, преимущественно белого дыма, отражается от дополнительного сферического отражателя и конусного отражателя и далее второй линзой фокусируется на фотоприемник.
К недостаткам конструкции можно отнести: 1. небольшой рабочий объем дыма, облучаемый только с одной стороны, от которого происходит рассеяние излучения; 2. исходя из законов геометрической оптики (отражения от зеркальной поверхности и построения изображения линзой), не все лучи, рассеянные дымом и отраженные сферическим и конусным отражателями, смогут попасть на фотоприемник через вторую линзу; 3. большие габариты датчика, обусловленные его оптической схемой.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является датчик дыма (А.С. СССР №1001131, МКИ G 08 В 17/10, "Дымовой датчик", опубл. БИ №8, 1983) - [2], содержащий оптически связанные излучатель и сферический зеркальный отражатель, образующие контролируемую, чувствительную к дыму область, приемник излучения, который оптически связан через эту контролируемую и чувствительную к дыму область с излучателем и отражателем.
Здесь в чувствительной к дыму области (которая в процентном соотношении к объему датчика составляет большую долю) создаются два встречно направленных потока излучения, которые не попадают на
фотоприемник. При появлении дыма в чувствительной к дыму области, как белого, так и черного, только рассеянный частицами дыма поток излучения попадает на приемник излучения.
Недостатком этого датчика, взятого в качестве прототипа, является невысокая чувствительность, так как он характеризуется небольшой областью, чувствительной к дыму, по отношению к объему датчика и неполнотой сбора фотоприемником оптического излучения, отраженного и рассеянного частицами дыма во все стороны, так как не все лучи попадают на площадь фотоприемника.
Полезная модель решает задачу увеличения чувствительности датчика дыма за счет более полного использования потока излучения, отраженного и рассеянного от частиц дыма, как черного, так и белого.
Поставленная задача решается тем, что в датчике дыма, содержащем оптически связанные излучатель и первый сферический зеркальный отражатель, фотоприемник, оптически связанный с излучателем и первым отражателем через чувствительную к дыму область, между излучателем и первым отражателем расположен второй отражатель в виде прямого полого усеченного зеркального конуса с углом при вершине в 90°, обращенного внутренней зеркальной поверхностью в сторону внутренней зеркальной поверхности первого отражателя с образованием зоны оптических лучей, являющейся областью, чувствительной к дыму, за вершиной прямого полого усеченного зеркального конуса в заднем фокусе первого отражателя в черном канале расположен излучатель, а вне зоны оптических лучей расположен третий сферический зеркальный отражатель, связанный с ней оптически через чувствительную к дыму область, главная оптическая ось которого перпендикулярна оптическим осям первого отражателя и второго отражателя, в заднем фокусе которого с другой стороны зоны оптических лучей расположена плоскость с диффузно отражающей поверхностью, перпендикулярная главной оптической оси третьего отражателя и имеющая отверстие, соосное с третьим отражателем и за которым в черном канале расположен фотоприемник, причем диаметр отверстия в плоскости с диффузно отражающей поверхностью равен диаметру кружка рассеяния, образуемого отраженным потоком от третьего отражателя, а фотоприемник удален от этой плоскости на расстояние, при котором поток излучения, отраженный от третьего отражателя, попадает на чувствительную
поверхность фотоприемника, полностью покрывая ее, а меньший диаметр прямого полого усеченного зеркального конуса обладает свойством диафрагмирования для формирования потока излучения, направленного на первый отражатель.
В датчике дыма второй отражатель может быть выполнен в виде плоского зеркала, зеркальная поверхность которого оптически связана с первым отражателем и имеет отверстие, соосное с первым отражателем и обладающее свойством диафрагмирования для формирования потока излучения, направленного на первый отражатель.
Сущность полезной модели представлена на Фиг.1, где:
1 - излучатель;
2 - первый сферический зеркальный отражатель;
3 - фотоприемник;
4 - канал для расположения излучателя 1;
5 - второй отражатель в виде прямого полого усеченного зеркального конуса с углом при вершине в 90°;
6 - третий сферический зеркальный отражатель;
7 - отражающая плоскость;
8 - траектория луча, вышедшего из излучателя 1;
9 - канал для расположения фотоприемника 3.
Дымовая камера, в которой размещается предлагаемый датчик дыма, имеет отверстия для проникновения дыма (на фигуре не показана). Одновременно эта камера защищает все оптические элементы от фоновых засветок.
Плоскость 7 имеет отверстие с диаметром, равным диаметру кружка рассеяния, который зависит от конструкции третьего отражателя 6 и составляет доли миллиметра. Кружок рассеяния - это площадка в фокальной плоскости, в которой сосредоточена вся сфокусированная отражателем 6 энергия при наличии всех видов аберраций [Якушенков Ю.Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов: Учебник для студентов приборостроительных специальностей вузов. - 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение. 1989. 360 с] - [3]. Фотоприемник 3 удален от плоскости 7 на расстояние, при котором поток излучения, отраженный от третьего отражателя 6, попадает на чувствительную поверхность фотоприемника 3, полностью покрывая ее, как показано на Фиг.1. Такое расположение
фотоприемника 3 обеспечивает уменьшение влияния фоновых засветок (Свидетельство РФ на полезную модель №16795, МКИ G 03 B 11/04, Оптическое устройство/Рожин В.В., Шабалин Д.А.//БИ №4, 2001) - [4]. Практически, с учетом погрешностей расположения отражателя 6 и плоскости 7, диаметр отверстия в ней следует изготавливать чуть больше диаметра кружка рассеяния. В поле зрения фотоприемника 3 (с плоским углом c) должен вписываться полностью только отражатель 6.
Для уменьшения попаданий на фотоприемник 3 отражений от фоновых засветок он расположен в черном канале 9.
Оптическая поверхность фотоприемника 3 закрыта светофильтром (на фигуре не показано). Назначение светофильтра: пропускать излучение только с той длиной волны, на которой работает излучатель 1.
Плоскость 7 выполнена белой (матовый цвет), приближающейся к идеально рассеивающей и дающей диффузное (рассеянное) отражение.
Как показано на фигуре и как в дальнейшем вытекает из принципа действия, диаметр сферического отражателя 6 (шарового сегмента) и диаметр отражающей плоскости (диаметр круговой отражающей плоскости) 7 равны расстоянию между конусом 5 и отражателем 2 (расстояние между точками А и В).
Наибольший диаметр конуса 5 должен быть равен диаметру сегмента первого сферического отражателя 2, а зазоры между элементами 2, 5, 6, 7 должны быть достаточными для вхождения дыма между ними.
В качестве излучателя 1 может использоваться излучающий диод, (например, инфракрасный, типа АЛ 108, или лазерный диод), излучение которого может фокусироваться (например, собирающей линзой, что на фигуре не показано) в пучок лучей с плоским углом 
.
В качестве фотоприемника 3 может быть использован фотодиод типа ФД-265А.
Конус 5 выполнен в виде прямого полого усеченного зеркального конуса с углом при вершине, равным 90°. Назначение малого отверстия усеченного конуса - диафрагмирование излучения излучателя 1, чтобы поток излучения попадал только на отражатель 2, что показано углом расхождения лучей .
Излучатель 1 расположен в канале 4 с черной внутренней поверхностью, поглощающей попадающий на нее отраженный поток
излучения 86 и предотвращающей попадание отраженных лучей от излучателя 1 на отражатель 6 и плоскость 7.
При отсутствии дыма в чувствительной к нему области, представляющей собой «цилиндр» АВСД (цилиндр с «образующими» АВ и ДС), на фотоприемник 3 не попадает поток излучения.
Поток излучения выходит из излучателя 1 пучком лучей с углом , а отражается от отражателя 2 пучком параллельных лучей. Например, луч 81 выходит из излучателя 1 и попадает на отражатель 2. Так как излучатель 1 расположен в заднем фокусе сферического зеркала 2, то отраженный луч 8; пойдет параллельно главной оптической оси отражателя 2. Если заднее фокусное расстояние отражателя равно Г, то радиус кривизны г сферического отражателя 2 равен r = 2f (Справочник конструктора оптико-механических приборов. / В.А.Панов, М.Я.Кругер, В.В.Кулагин и др.; Под общ. ред. В.А.Панова. 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1980. 742 с.) - [5]. В прототипе излучатель расположен в оптическом центре, т.е. центре окружности (сферы) с радиусом r.
Луч 82 , падая на внутреннюю поверхность конуса 5 под углом 45°, отразится также под углом 45°. Далее отраженный луч 8 3 падает на противоположную образующую конуса 5 также под углом 45°. Следовательно, этот луч отразится (за номером 84) под углом 45° к образующей и пойдет параллельно лучу 82. Согласно теории геометрической оптики луч 84 отразится по направлению 8 5 в задний фокус отражателя 2, т.е. на излучатель 1. От излучателя 1 отразится пучок лучей в полусферу по направлению к конусу. Часть лучей проходит через малое отверстие конуса 5 и попадает снова на отражатель 2. Часть лучей (это 8 6) отразится с наружной стороны конуса 5. Чтобы эти отраженные лучи 86 не попадали на отражатель 6 и плоскость 7, предусмотрен канал 4, черная внутренняя поверхность которого "гасит" луч 86.
Таким образом, в чувствительной к дыму области АВСД обеспечивается многократное и взаимно противоположное прохождение потока излучателя 1, который не попадает на отражатель 6, плоскость 7 и фотоприемник 3. Кроме того, в полости конуса 5 образованы по направлению взаимно перпендикулярные и встречно направленные потоки излучения.
При появлении дыма в контролируемой среде он проникает в зону АВСД. При этом поток излучения рассеивается частицами дыма при каждом повторном прохождении излучения в зоне оптических лучей. Рассеивание излучения дымом зависит от его вида (см. прототип). Белый дым рассеивает поток в основном вперед - под острым углом к направлению распространения потока. Черный дым рассеивает поток излучения в основном назад - под тупым углом к направлению распространения потока.
Так как в чувствительной к дыму области АВСД созданы встречно направленные потоки излучения, то частицы дыма будут облучаться со всех сторон, учитывая также переотражение от других частиц дыма.
Кроме того, объем, заключенный во внутренней полости конуса 5, будет также чувствительный к дыму. Часть рассеянных от дыма оптических лучей будет непосредственно попадать на плоскость 7. Чувствительным к дыму будет также объем, заключенный во внутренних полостях сферических зеркал 2 и 6.
Таким образом, независимо от типа дыма, рассеянный поток излучения направлен во все стороны. Часть потока рассеянных лучей будет направлена вертикально вверх параллельным пучком. Согласно закону геометрической оптики эти лучи соберутся сферическим отражателем 6 в его заднем фокусе, т.е. на фотоприемнике 3.
На плоскость 7 падают лучи под разными углами, но так как поверхность 7 диффузно рассеивающая, то по закону Ламберта (Лабораторные оптические приборы: Учебное пособие для приборостроительных и машиностроительных вузов / Г.И.Федотов, Л.А.Новицкий, А.С.Гоменюк и др.; Под ред. Л.А.Новицкого - 2-е изд. перераб. и доп. - М., Машиностроение, 1979. 448 с.) - [6] сила излучения, излучаемая равнояркой поверхностью, будет наибольшей в нормальном к поверхности направлении. Таким образом, отраженный от поверхности 7 поток параллельных лучей попадает на сферическое зеркало 6, которое далее отражает (собирает) этот поток по законам геометрической оптики в задний фокус, в котором расположен фотоприемник 3. Электрический сигнал с фотоприемника 3 будет являться сигналом тревоги.
Таким образом, предложенная конструкция датчика дыма позволяет регистрировать рассеяние дыма почти по всем направлениям в отличие от сравниваемых датчиков (аналог, прототип).
Предлагаемый датчик дыма будет иметь повышенную чувствительность, как к белому, так и к черному дыму. Но, так как согласно нормам пожарной безопасности НПБ 65-97, датчик должен иметь значение чувствительности не менее 0,05 дБ·м -1, то за счет этого при одинаковой чувствительности со сравниваемыми датчиками можно уменьшить мощность излучения излучателя 1 (вследствие чего уменьшится энергопотребление) или уменьшить объем чувствительной области к дыму АВСД, что приведет к уменьшению габаритов датчика.
С технологической точки зрения для упрощения конструкции вместо конуса 5 можно использовать плоское зеркало с отверстием в центре с диаметром, позволяющим создавать поток излучения с плоским углом . Это зеркало выполняется круглым с внешним диаметром, равным диаметру основания конуса 5, т.е. диаметру отражателя 2. Но в этом случае чувствительность датчика к дыму немного уменьшится за счет уменьшения объема, чувствительного к дыму, а также из-за отсутствия дополнительных лучей 83, перпендикулярных основным лучам.
1. Датчик дыма, содержащий оптически связанные излучатель и первый сферический зеркальный отражатель, фотоприемник, оптически связанный с излучателем и первым отражателем через чувствительную к дыму область, отличающийся тем, что между излучателем и первым отражателем расположен второй отражатель в виде прямого полого усеченного зеркального конуса с углом при вершине в 90°, обращенного внутренней зеркальной поверхностью в сторону внутренней зеркальной поверхности первого отражателя с образованием зоны оптических лучей, являющейся областью, чувствительной к дыму, за вершиной полого усеченного зеркального конуса в заднем фокусе первого отражателя в черном канале расположен излучатель, а вне зоны оптических лучей расположен третий сферический зеркальный отражатель, связанный с ней оптически через чувствительную к дыму область, главная оптическая ось которого перпендикулярна оптическим осям первого отражателя и второго отражателя, в заднем фокусе которого с другой стороны зоны оптических лучей расположена плоскость с диффузно отражающей поверхностью, перпендикулярная главной оптической оси третьего отражателя и имеющая отверстие, соосное с третьим отражателем, за которым в черном канале расположен фотоприемник.
2. Датчик дыма по п.1, отличающийся тем, что диаметр отверстия в плоскости с диффузно отражающей поверхностью равен диаметру кружка рассеяния, образуемого отраженным потоком от третьего отражателя в фотоприемник, удален от этой плоскости на расстояние, при котором поток излучения, отраженный от третьего отражателя, падает на чувствительную поверхность фотоприемника, полностью покрывая ее.
3. Датчик дыма по п.1, отличающийся тем, что меньший диаметр прямого полого усеченного зеркального конуса обладает свойством диафрагмирования для формирования потока излучения, направленного на первый отражатель.
4. Датчик дыма по п.1, отличающийся тем, что второй отражатель выполнен в виде плоского зеркала, зеркальная поверхность которого оптически связана с первым отражателем и имеет отверстие, соосное с первым отражателем и обладающее свойством диафрагмирования для формирования потока излучения, направленного на первый отражатель.
