EA019717B1 - Многофункциональное устройство контроля окружающей среды - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к устройствам бытовой автоматики, в частности к охранно-пожарной сигнализации, также может быть использовано для контроля запыленности, обнаружения факелов при горении метана, нефтесодержащих продуктов и т.д. Далее, данное устройство может быть использовано для контроля нарушения параметра в качестве датчика перемещения, также в качестве пирометра, датчика поглощения спектра. Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно контроля возгорания, факелов, запыленности, контроля параметров объекта, перемещения, измерения температуры, контроля спектров поглощения. Все это в условиях сильной внешней засветки-помехи, т.е. возможность работы на открытом воздухе. Для решения поставленной задачи предлагается многофункциональное устройство контроля окружающей среды, содержащее светоизлучатель и светоприемник с рабочей длиной волны λ=0,95-1,05 мкм, блок питания с Г-образным фильтром, усилитель приемного сигнала, отличающееся тем, что введен цифроаналоговый преобразователь и регулирующий стабилизатор тока со следующими соединениями: выход светоприемника через усилитель приемного сигнала поступает на сигнальный вход микроконтроллера, первый аналоговый выход которого через формирователь выходного сигнала первой шиной соединен с плюсовым выходом блока питания и через Г-образный RC-фильтр с анодом светоизлучателя, а второй шиной - с минусовым выходом блока питания, второй цифровой выход микроконтроллера через цифроаналоговый преобразователь соединен через регулирующий стабилизатор тока с катодом светоизлучателя, причем в качестве светоприемника применен

Description

Изобретение относится к устройствам бытовой автоматики, в частности к охранно-пожарной сигнализации, также может быть использовано для контроля запыленности, обнаружения факелов при горении метана, нефтесодержащих продуктов и т.д. Далее, данное устройство может быть использовано для контроля нарушения параметра, в качестве датчика перемещения, также в качестве пирометра, датчика поглощения спектра.

В настоящее время для решения указанных выше задач применяются конкретные датчики (сигнализаторы) для решения конкретных задач: датчики возгорания, датчики запыленности, пирометры и пр., т.е. нет универсального датчика. На пути создания такого датчика стоит преграда в виде большой внешней засветки: высокая солнечная освещенность, различные блики, переносные фонари и пр.

Известен Сигнализатор пыли по патенту на полезную модель ПМ № 52184. Полезная модель может быть использована в авиационной технике, преимущественно на вертолетах, для контроля запыленности воздуха на входе в воздухозаборник газотурбинного двигателя при зависании вертолета вблизи земли. Сигнализатор пыли содержит два излучателя и два фотоприемника, фокусирующую оптику, формирующую измерительный объем и использующую рассеяние света под углом φ, электрический блок обработки сигналов, блок питания излучателей, коммутирующее устройство для поочередного включения излучателей с частотой ί, а с целью повышения точности измерения массовой концентрации полидисперсной пыли снабжен дополнительно по крайней мере еще одним фотоприемником, оптическая ось которого ориентирована на измерительный объем и составляет с оптической осью одного из фотоприемников угол α<φ/2, а выход фотоприемника через усилитель переменного тока подключен к электронному блоку обработки сигналов для корректировки показаний величины массовой концентрации полидисперсной пыли.

Его недостаток: он контролирует только пылевую составляющую и ничего более.

Известен Датчик дыма по патенту РФ № 2037883.

Изобретение относится к пожарной сигнализации, а именно к конструкциям датчиков дыма, предназначенных для использования в оптико-электронных пожарных извещателях для обнаружения загораний, сопровождающихся появлением дыма в закрытых помещениях различных зданий и сооружений, путем регистрации рассеянного частицами дыма оптического излучения.

Его недостаток: он контролирует только возгорание и только в закрытых помещениях.

Известен Сигнализатор дыма по патенту РФ на ПМ № 57492.

Изобретение относится к противопожарной технике, а именно к сигнализаторам дыма, и может быть использовано для обнаружения возгораний на ранней стадии при появлении дымовых аэрозолей. Также оно может быть использовано для определения запыленности в цехах точного приборостроения, особенно в микроэлектронной промышленности. Технической задачей полезной модели является оптимизация габаритно-массовых характеристик с высокой эффективностью работы и низкой стоимостью. Сигнализатор дыма содержит оптический модуль, состоящий из светоизлучателя, светоприемника и кольцевой диафрагмы, при этом светоприемник и светоизлучатель расположены на оптической оси, перед излучателем и перед светоприемником расположены оптические линзы, а за линзами - диафрагмы с поглощающими камерами.

В этом патенте уже сделана попытка к универсальности. Но контролируются только два параметра: возгорание и запыленность. Эта ПМ годится только для внутренних помещений и в условиях большой освещенности (во внешней среде) не работоспособна.

В основе работы такого датчика стоит инфракрасный эмиттерный диод и инфракрасный приемник, которые помещены в так называемую дымовую камеру, где и происходит определение наличия дыма. Сигнал, периодически излучаемый инфракрасным диодом, улавливается инфракрасным приемником и далее исследуется для определения присутствия дыма. Операционный усилитель увеличивает ток с приемника в режиме усилитель напряжения, управляемый током, после чего сигнал поступает на микроконтроллер через АЦП. В период, когда излучение сигнала не происходит, операционный усилитель и инфракрасные элементы выключены, а микроконтроллер находится в спящем режиме с потреблением тока менее 1 мкА.

В качестве прототипа выбран Датчик пожарной сигнализации на основе микроконтроллера М8Р430 от Техак 1и5бгишсп15. см. журнал Вестник электроники, № 4 (16), декабрь 2007 г.

Недостатком прототипа является обычное стандартное решение схемы датчика пожарной сигнализации, в качестве датчика пыли, факела и т.д. он не приемлем. Ценным качеством прототипа является удачное применение ЭРЭ и ИМС. Даже в качестве пожарного извещателя этот датчик в условиях сильной посторонней засветки, например на открытом воздухе при солнечном свете, не работоспособен, т.к. он создан только для внутренних помещений.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно контроля возгорания, факелов, запыленности, контроля параметров объекта, перемещения и т.д. Все это в условиях сильной внешней засветки-помехи, т.е. возможность работы на открытом воздухе.

Для решения поставленной задачи предлагается многофункциональное устройство контроля окружающей среды, содержащее светоизлучатель и светоприемник с рабочей длиной волны λ=0,95-1,05 мкм,

- 1 019717 блок питания с Г -образным фильтром, усилитель приемного сигнала, формирователь выходного сигнала, цифроаналоговый преобразователь и регулирующий стабилизатор тока со следующими соединениями: выход светоприемника через усилитель приемного сигнала поступает на сигнальный вход микроконтроллера, первый аналоговый выход которого через формирователь выходного сигнала первой ши-ной соединен с плюсовым выходом блока питания и через Г -образный КС-фильтр - с анодом светоизлучателя, а второй шиной - с минусовым выходом блока питания, второй цифровой выход микроконтроллера через цифроаналоговый преобразователь соединен через регулирующий стабилизатор тока с катодом светоизлучателя, причем в качестве светоприемника применен светодиод того же типа, что и в светоизлучателе.

На фиг. 1 показана электрическая структурная схема устройства, на котором изображено: 1 - светоизлучатель, 2 - светоприемник, 3 - усилитель входного сигнала, 4 - микроконтроллер, 5 - формирователь выходного сигнала, 6 - блок питания, 7 - регулирующий стабилизатор тока, 8 - цифроаналоговый преобразователь, КС - Г -образный фильтр. Первичная шина питания блока 6 и его резервный аккумулятор условно не показаны, как и цепи питания МС4 и остальных узлов.

Схема имеет следующие соединения.

Многофункциональное устройство контроля окружающей среды, содержащее светоизлучатель 1 и светоприемник 2 с рабочей длиной волны λ=0,95-1,05 мкм, блок питания 6 с Г-образным фильтром, формирователь выходного сигнала 5, усилитель приемного сигнала 3, цифроаналоговый преобразователь 8 и регулирующий стабилизатор тока 7 со следующими соединениями: выход светоприемника 2 через усилитель приемного сигнала 3 поступает на сигнальный вход микроконтроллера 4, первый аналоговый выход которого через формирователь выходного сигнала 5 первой шиной соединен с плюсовым выходом блока питания 6 и через Г-образный КС-фильтр - с анодом светоизлучателя 1, а второй шиной - с минусовым выходом блока питания 6, второй цифровой выход микроконтроллера 4 через цифроаналоговый преобразователь 8 соединен через регулирующий стабилизатор тока 7 с катодом светоизлучателя 1, причем в качестве светоприемника 2 применен светодиод того же типа, что и в светоизлучателе 1.

Электрические узлы устройства могут быть выполнены на следующих ЭРЭ и ИМС.

Светодиоды 1 и 2, например Ь-53Р3, см. справочник Оптоэлектронные приборы, т. 3, М.: РадиоСофт, 2000, усилитель входного сигнала 3 и формирователь выходного сигнала 5, на ИМС 140УД6, см. справочник Интегральные микросхемы, т. 1, М.: РадиоСофт, 2001, с. 410, МС4, например, на популярной серии Р1С ΖίΙοΚ. ЦАП 8 на ИМС серии 572ПА1, см. справочник Интегральные микросхемы, т. 6, М.: РадиоСофт, 2001, с. 120, блок питания 6, например, по патенту РФ по заявке № 2009140502/07, по которой выдано положительное решение, регулятор стабилизирующего тока 7 собственного изготовления.

Устройство работает следующим образом, рассмотрим на примере определения запыленности и возгорания.

Микроконтроллер (МС) выдает пачку импульсов (5-8) в цифровом параллельном коде, которые по второму выходу поступают на ЦАП 8, а с его выхода в аналоговом виде в положительной полярности они поступают на светодиод 1, который излучает их в контролируемое пространство. В случае возгорания или задымления в этом пространстве отраженные импульсы поступают на фотоприемник 2, в качестве которого используется такой же светодиод, как и излучающий. Принятые отраженные импульсы усиливаются усилителем 3 и поступают на МС4, где отрабатываются и по первому выходу поступают на формирователь выходного сигнала 5 и затем на оконечный каскад 6, в виде источника питания, который переходит в активный режим, в результате чего выходной ток его увеличивается с 150 мкА (режим покоя) до 20 мА (режим тревоги), что и является выходным сигналом устройства.

Применение в качестве приемного фотодиода светодиода имеет следующие преимущества. Светодиод в приемном режиме обладает высокой линейной характеристикой в условиях повышенной освещенности, например при работе на открытой местности при солнечном дне, также отраженных бликах: от стекол, фар проезжающих автомашин, света дуговой сварки и пр., что расширяет область его применения. Далее применение одного типа светодиодов дает узкую диаграмму направленности, т.к. они имеют одинаковую длину волны, что повышает чувствительность устройства. Следует заметить, что это удешевляет стоимость устройства, т.к. фотодиоды в несколько раз дороже светодиодов.

Такое построение схемы позволяет создавать оптимальную конструкцию без дополнительных оптических элементов (рассеивателей, ослабителей, линз и т.д.) самого оптического тракта.

На фиг. 2 показаны характеристики фотодиода и светодиода, включенного в режиме приемника светового сигнала.

Из диаграмм видно, что фотодиод, включенный в токовом режиме (нижняя ломаная линия), обладает линейностью только до 20000 лк, но низкой чувствительностью (явно недостаточной), а фотодиод, включенный в режиме ЭДС (верхняя ломаная линия), обладает хорошей (высокой) чувствительностью, но низкой линейностью (только до 10000 лк).

Светодиод, включенный в режиме ЭДС (прямая наклонная линия), обладает очень высокой линейностью, вплоть до и выше 80000 лк и высокой чувствительностью.

Таким образом, видно, что применение светодиода в приемном режиме позволяет получить качест- 2 019717 венно новую характеристику устройства.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   Многофункциональное устройство контроля окружающей среды, содержащее светоизлучатель и светоприемник с рабочей длиной волны λ=0,95-1,05 мкм, блок питания с Г-образным фильтром, усилитель приемного сигнала, отличающееся тем, что дополнительно содержит цифроаналоговый преобразователь, формирователь выходного сигнала и регулирующий стабилизатор тока со следующими соединениями: выход светоприемника через усилитель приемного сигнала соединен с сигнальным входом микроконтроллера, первый аналоговый выход которого через формирователь выходного сигнала первой шиной соединен с плюсовым выходом блока питания и через Г-образный КС-фильтр - с анодом светоизлучателя, а второй шиной - с минусовым выходом блока питания, второй цифровой выход микроконтроллера через цифроаналоговый преобразователь соединен через регулирующий стабилизатор тока с катодом светоизлучателя, причем в качестве светоприемника применен светодиод того же типа, что и в светоизлучателе.