RU183778U1

RU183778U1 - ACOUSTOPTIC INFORMATION-MEASURING DEVICE FOR FLAME CONTROL

Info

Publication number: RU183778U1
Application number: RU2017125599U
Authority: RU
Inventors: Александр Александрович Евграфов; Васих Хаматович Ясовеев; Дмитрий Александрович Савченко; Вячеслав Михайлович Кривошей; Юрий Владимирович Михайлов
Priority date: 2017-07-17
Filing date: 2017-07-17
Publication date: 2018-10-02

Abstract

Полезная модель относится к области измерительной техники и касается акустооптического информационно-измерительного устройства контроля пламени. Устройство включает в себя акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, два фотоприемника, блок обработки и регистрации результатов измерений. Акустооптическая ячейка представляет собой акустооптическую ячейку Рамана-Ната, выполненную в виде чувствительного к ультразвуковым воздействиям одноосного кристалла, с пьезоэлектрическим излучателем, динамически генерирующим в акустооптической ячейке механические колебания таким образом, что обеспечивается дифракция излучения пламени в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра. Источник излучения и акустооптическая ячейка оптически связаны волоконно-оптическим кабелем. Входными сигналами фотоприемников являются световые лучи +1 и -1 мод с выхода акустооптической ячейки Рамана-Ната, а их выводы соединены со входом блока обработки и регистрации результатов измерений, содержащего микроконтроллер, соединенный с интерфейсом. Технический результат заключается в снижении порога чувствительности устройства. 1 ил.The invention relates to the field of measurement technology and relates to an acousto-optic information-measuring device for flame monitoring. The device includes an acousto-optic cell enclosed between two crossed polarizers, two photodetectors, a processing and recording unit for the measurement results. An acousto-optic cell is a Raman-Nath acousto-optic cell made in the form of a uniaxial crystal sensitive to ultrasonic influences, with a piezoelectric emitter dynamically generating mechanical vibrations in the acousto-optic cell in such a way that flame radiation is diffracted in the infrared, visible and ultraviolet ranges of the spectrum. The radiation source and the acousto-optical cell are optically connected by a fiber optic cable. The input signals of the photodetectors are light rays +1 and -1 mode from the output of the Raman-Nath acousto-optic cell, and their conclusions are connected to the input of the processing and recording unit of measurement results containing a microcontroller connected to the interface. The technical result consists in lowering the threshold of sensitivity of the device. 1 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к акустооптическим измерительным устройствам спектрометрии и может быть использована в машиностроении, приборостроении, нефтегазовой промышленности для определения наличия или отсутствия пламени в системе пожарной безопасности технологических установок и объектов.The utility model relates to measuring equipment, namely to acousto-optical measuring devices of spectrometry and can be used in mechanical engineering, instrumentation, oil and gas industry to determine the presence or absence of flame in the fire safety system of technological installations and objects.

Известен инфракрасный трехспектральный извещатель пламени (патент РФ №2398609, МПК А62С 37/00, G08B 17/12, опубл.: 10.09.2010), в котором детектирование пламени осуществляется приемником излучения в виде трех фотогальванических приемников, реагирующих на излучение в трех спектральных поддиапазонах, два из которых соответствуют селективным полосам излучения продуктов горения, а третий - эталонный, соответствует излучению основных фоновых помех.Known infrared three-spectral flame detector (RF patent No. 2398609, IPC A62C 37/00, G08B 17/12, publ.: 09/10/2010), in which the flame is detected by a radiation detector in the form of three photovoltaic detectors that respond to radiation in three spectral subranges Two of which correspond to the selective emission bands of the combustion products, and the third to the reference one, which corresponds to the emission of the main background noise.

Недостатком данного устройства является низкая точность измерения фотогальваническими приемниками излучений трех спектральных поддиапазонов, что приводит к погрешностям измерений.The disadvantage of this device is the low accuracy of measurement by photovoltaic receivers of the radiation of three spectral sub-bands, which leads to measurement errors.

Известен пирометрический датчик пожарной сигнализации (патент РФ №2109345, МПК G08B 17/12, опубл.: 20.04.1998), в котором инфракрасное излучение охраняемого объекта при помощи объектива фокусируется, и пройдя через отверстие диафрагмы, разделяется светоделительной пластиной на два потока. Каждый из этих потоков через светофильтр или с разными спектрами пропускания попадает на фотодетекторы. Линза совместно с объективом образует оптическую систему, которая служит для фокусировки потока на чувствительные окна фотодетекторов. Светофильтры и выделяют из светового потока различные участки спектра.A known pyrometric fire alarm sensor (RF patent No. 2109345, IPC G08B 17/12, publ.: 04.20.1998), in which the infrared radiation of a protected object is focused using a lens, and passing through the aperture, is divided by a beam splitter plate into two streams. Each of these flows through a light filter or with different transmission spectra falls on photodetectors. The lens together with the lens forms an optical system, which serves to focus the flow on sensitive photodetector windows. Light filters and emit various sections of the spectrum from the light flux.

Недостатком данного устройства является его ограниченные функциональные возможности, не позволяющие исключить влияние помех, что снижает его область применения в силу конструктивно-технологических особенностей датчика.The disadvantage of this device is its limited functionality that does not allow to exclude the influence of interference, which reduces its scope due to the structural and technological features of the sensor.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является фотометр пламенный (патент РФ на полезную модель №132548, МПК G01J 3/06, опубл.: 20.09.2013), содержащий горелку с устройством впрыска раствора исследуемого вещества и системой подачи воздуха и газа, акустооптический монохроматор, связанный с высокочастотным драйвером и фотоприемником, при этом акустооптический монохроматор содержит акустооптическую ячейку с пьезоэлектрическим излучателем, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами и выполненную в виде чувствительного к ультразвуковым воздействиям одноосного кристалла, а высокочастотный драйвер содержит синтезатор частоты и усилитель мощности ультразвука, при этом выход блока обработки и регистрации результатов измерений связан с входом высокочастотного драйвера.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed one is a flame photometer (RF patent for utility model No. 132548, IPC G01J 3/06, publ.: 09/20/2013) containing a burner with an injection device for the solution of the test substance and an air and gas supply system an acousto-optic monochromator associated with a high-frequency driver and a photodetector, wherein the acousto-optic monochromator comprises an acousto-optic cell with a piezoelectric emitter enclosed between two crossed polarizers and made a sensor for ultrasonic treatment of a uniaxial crystal, and the high frequency driver comprises a frequency synthesizer and a power amplifier of ultrasound, the yield of processing and recording the measurement results of the block connected to the input high-frequency driver.

Недостатком ближайшего аналога является сложность конструкции и ограниченные функциональные возможности.The disadvantage of the closest analogue is the design complexity and limited functionality.

Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является расширение функциональных возможностей измерения пламени за счет введения в схему второго фотоприемника, акустооптической ячейки Рамана-Ната и микроконтроллера с подключенным интерфейсом.The task the utility model is aimed at is expanding the functionality of flame measurement by introducing a second photodetector, an Raman-Nath acousto-optic cell, and a microcontroller with a connected interface into the circuit.

Техническим результатом полезной модели является снижение порога чувствительности устройства.The technical result of the utility model is to lower the threshold of sensitivity of the device.

Поставленная задача решается тем, что в акустооптическом информационно-измерительном устройстве контроля пламени, содержащем акустооптическую ячейку, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, выполненную в виде чувствительного к ультразвуковым воздействиям одноосного кристалла, с пьезоэлектрическим излучателем, динамически генерирующим в акустооптической ячейке механические колебания таким образом, что обеспечивается дифракция излучения пламени в трех спектральных диапазонах (инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом), фотоприемник, блок обработки и регистрации результатов измерений, в отличие от прототипа, акустооптическая ячейка, выполненная в виде акустооптической ячейки Рамана-Ната, и источник излучения оптически связаны волоконно-оптическим кабелем, выходной торец которого подключен к входу акустооптической ячейки, при этом дополнительно введен второй фотоприемник так, что входными сигналами обоих фотоприемников являются световые лучи +1 и -1 мод с выхода акустооптической ячейки Рамана-Ната, а их выводы соединены со входом блока обработки и регистрации результатов измерений, включающего в себя микроконтроллер и интерфейс.The problem is solved in that in an acousto-optic information-measuring device for flame monitoring, containing an acousto-optic cell, enclosed between two crossed polarizers, made in the form of a uniaxial crystal sensitive to ultrasonic influences, with a piezoelectric emitter dynamically generating mechanical vibrations in the acousto-optic cell so that diffraction of flame radiation is provided in three spectral ranges (infrared, visible and ultraviolet ), a photodetector, a unit for processing and recording the measurement results, in contrast to the prototype, an acousto-optic cell made in the form of an Raman-Nath acousto-optic cell, and a radiation source are optically connected by a fiber-optic cable, the output end of which is connected to the input of the acousto-optic cell, the second photodetector is introduced so that the input signals of both photodetectors are light rays +1 and -1 modes from the output of the Raman-Nath acousto-optical cell, and their conclusions are connected to the input of the processing and reg istration of measurement results, including a microcontroller and an interface.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема заявляемого акустооптического информационно-измерительного устройства контроля пламени.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, which shows a structural diagram of the inventive acousto-optic information-measuring device for flame control.

В состав устройства входят источник излучения 1, связанный с акустооптической ячейкой Рамана-Ната 2 волоконно-оптическим кабелем (не показан), к которой присоединен пьезоизлучатель 3, подключенный к генератору радиочастоты 4 и демпферу ультразвуковых колебаний 5, где образуются периодические неоднородности среды, создаваемые ультразвуковой волной (УЗ-волной) 6, и УЗ-волна 7, создаваемая в акустооптическом материале ячейки пьезоизлучателем 3, поступающие на фотоприемники 8 и 9, связанные с микроконтроллером 10 с подключенным интерфейсом 11.The device includes a radiation source 1 connected to the Raman-Nath acousto-optical cell 2 with a fiber-optic cable (not shown), to which a piezoelectric transducer 3 is connected, connected to a radio frequency generator 4 and an ultrasonic vibration damper 5, where periodic inhomogeneities of the medium are generated, created by ultrasonic wave (ultrasonic wave) 6, and ultrasonic wave 7, created in the acousto-optical material of the cell by a piezo-emitter 3, arriving at photodetectors 8 and 9, connected to the microcontroller 10 with the connected interface 11.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Источник излучения 1 в виде электромагнитной волны длиной λ и частотой со подается на акустооптическую ячейку Рамана-Ната 2, заключенную между двумя скрещенными поляризаторами, в которой при прохождении УЗ-волны 7 длиной волны Λ и частотой Ω, создаваемой пьезоизлучателем 3, образуются периодические неоднородности среды 6. При попадании луча света на эти неоднородности имеет место дифракция Рамана-Ната, при которой луч распадается на ряд мод порядка m=0, ±1, ±2. Угол Ω=±mλ/Λ, где m - порядок дифракции (целое число); Λ - длина волны ультразвука; λ - длина волны света. Через скрещенные поляризаторы свободно пройдут колебания светового вектора, параллельные плоскостям поляризаторов, далее попадая на анализатор, при этом колебания светового вектора, перпендикулярные плоскостям поляризации, полностью поглотятся.A radiation source 1 in the form of an electromagnetic wave of length λ and frequency ω is supplied to an Raman-Nath 2 acousto-optic cell enclosed between two crossed polarizers, in which, when an ultrasound wave 7 passes through a wavelength Λ and a frequency Ω created by a piezo-emitter 3, periodic medium inhomogeneities are formed 6. When a light ray hits these inhomogeneities, Raman-Nath diffraction occurs, in which the beam splits into a number of modes of order m = 0, ± 1, ± 2. Angle Ω = ± mλ / Λ, where m is the diffraction order (integer); Λ is the wavelength of ultrasound; λ is the wavelength of light. Oscillations of the light vector parallel to the planes of the polarizers will freely pass through the crossed polarizers, then they will go to the analyzer, while the oscillations of the light vector perpendicular to the planes of polarization will be completely absorbed.

Для регистрации источника излучения 1 необходимо наличие хотя бы одного из спектров электромагнитного излучения, а именно, по меньшей мере, трех диапазонов длин волн инфракрасного λ₁, видимого λ₂ и ультрафиолетового λ₃. Для этого происходит генерирование, по меньшей мере, трех частот Ω₁, Ω₂, Ω₃ генератором радиочастоты 4, соответствующие длинам волн спектра излучения пламени источника излучения 1. При этом генерирование данных частот генератором радиочастоты 4 происходит динамически с заданным периодом. Тем самым, регистрируется конкретная частота излучения в спектре. Далее частота генератора радиочастоты изменяется на ΔΩ, и цикл измерений повторяется. Результирующая картина спектра излучения будет получена при прохождении генератором радиочастоты всего диапазона частот от Ω_min до Ω_max и выполнении измерений на каждом шаге ΔΩ. Отметим, что диапазон генерируемых частот от генератора радиочастоты 4 может быть расширен, но должен быть необходимым и достаточным для регистрации конкретного спектра излучения пламени. Задание конкретного диапазона частот и управление генератором радиочастоты 4 происходит микроконтроллером 10 по определенному алгоритму.To register the radiation source 1, it is necessary to have at least one of the spectra of electromagnetic radiation, namely, at least three wavelength ranges of infrared λ ₁ , visible λ ₂ and ultraviolet λ ₃ . For this, at least three frequencies Ω ₁ , Ω ₂ , Ω _{3 are} generated by the radio frequency generator 4, corresponding to the wavelengths of the radiation spectrum of the flame of the radiation source 1. In this case, the generation of these frequencies by the radio frequency generator 4 occurs dynamically with a predetermined period. Thus, a specific radiation frequency is recorded in the spectrum. Next, the frequency of the radio frequency generator is changed to ΔΩ, and the measurement cycle is repeated. The resulting picture of the radiation spectrum will be obtained when the generator passes the radio frequency of the entire frequency range from Ω _min to Ω _max and measurements are taken at each step ΔΩ. Note that the range of generated frequencies from the radio frequency generator 4 can be expanded, but should be necessary and sufficient to register a specific spectrum of flame radiation. The assignment of a specific frequency range and control of the radio frequency generator 4 occurs by the microcontroller 10 according to a specific algorithm.

Как правило, используются лучи ±1 порядка дифракции. Моды порядков +1 и -1 попадают на фотоприемники 8 и 9, в качестве которых используются фотодиоды. Электрический сигнал с выхода фотоприемников 8 и 9 поступает на микроконтроллер 10, в котором обрабатывается по определенным алгоритмам, обеспечивающим коррекцию погрешностей. С помощью интерфейса 11, при необходимости, информация от микроконтроллера 10 передается для дальнейшей обработки и отображения.As a rule, beams of ± 1 diffraction order are used. Modes of the order of +1 and -1 fall on photodetectors 8 and 9, which are used as photodiodes. The electrical signal from the output of the photodetectors 8 and 9 is fed to the microcontroller 10, in which it is processed according to certain algorithms that provide error correction. Using the interface 11, if necessary, information from the microcontroller 10 is transmitted for further processing and display.

Таким образом, предлагаемое акустооптическое информационно-измерительное устройство контроля пламени позволяет снизить порог чувствительности и расширить функциональные возможности измерения пламени.Thus, the proposed acousto-optic information-measuring device for flame monitoring allows to reduce the sensitivity threshold and expand the functionality of flame measurement.

Claims

An acousto-optic information-measuring flame control device containing an acousto-optic cell enclosed between two crossed polarizers, made in the form of a ultrasonic-sensitive uniaxial crystal, with a piezoelectric emitter dynamically generating mechanical vibrations in the acousto-optic cell in such a way that diffraction of the radiation of the flame in three spectral ranges (infrared, visible and ultraviolet), photodetector, processing unit and register measurement results, characterized in that the acousto-optical cell, made in the form of an Raman-Nath acousto-optic cell, and the radiation source are optically connected by a fiber-optic cable, the output end of which is connected to the input of the acousto-optic cell, while the second photodetector is additionally introduced so that the input signals both photodetectors are light rays +1 and -1 modes from the output of the Raman-Nath acousto-optical cell, and their conclusions are connected to the input of the processing unit and recording the measurement results, containing microcontroller connected to the interface.