Обнаружение объектов по электромагнитному излучению

Излучения черного тела. Закон Планка

Распределение энергии в спектре

Большое количество экспериментальных работ, выполненных с моделью черного тела в середине и конце прошлого столетия привели к выводу, что должно существовать математическое уравнение, представляющее зависимость излучения черного тела по спектру в виде функции

M _{e, λ}=f(λ,T)).

В 1900 г. Планку удалось найти общее уравнение распределения энергии по спектру черного тела, точно совпадающее с опытными дан­ными. Для этого Планку пришлось отойти от классических представлений о при­роде излучения и выдвинуть предположение о том, что получение испускается не непрерывно, а в виде отдельных порций энергии квантов.

При выводе своей формулы Планк исходил из того, что в замкну­том пространстве при определенной температуре излучение создается очень большим количеством атомных вибраторов, каждый из которых излучает электромагнитные колебания с частотой f определенными порциями энергии hf. При вычислении энергии, излучаемой всеми вибраторами в интервале между λ и λ + dλ Планком была получена формула:

M_{e, λ}=f(λ,T)=2πhc²λ^-5(e^ch/kλT-1)^-1 (1.40)

где с — скорость распространения излучения в вакууме;

k == = 1,3805 10 ^-23 Дж/градус —постоянная Больцмана;

h — постоянная Планка.

Считая, что 2π hс² = с1 и hc/k = c2, можно записать формулу Планка в более простом виде:

M_{e, λ}=c₁ λ^-5(e^c2/λT-1)^-1 (1.41)

где с1 и с2 —те же константы, что и в формулах (1.38) и (1.39);

с1 =3,74 10 ^-16 Вт-м²,

с2 = 1,44 10 ^-2 м К, если M_{e, λ} выражается в Вт/м² м)/

Таким образом, по формуле Планка можно определить спектральную плотность энергетической светимости черного.тела на единичный интервал длин волн спектра при заданной определенной длине волны. Расчеты по этой формуле совпадают с экспериментальными данными для всех длин волн и температур.

Из уравнения (1.40) можно определить не толькоспектральное распределение излучения, но и полное излучение черного тела Для этого надо проинтегрировать выражение для по всем длинамволн:

_λ=00

M_e =∫ M_{e, λ}dλ=2π⁵k⁴T⁴/15c²h³=5,67 10^-8 T⁴

_λ=0

(1.42)

Таким образом, в результате интегрирования получим выражение закона Стефана—Больцмана, который является следствием закона излучения Планка. По формуле Планка можно найти длину волны, соответствующую максимуму излучения. Для этого надо продифференцировать уравнение (1.40) или (1.41) по, и приравнять производную нулю.

Подставляя в полученное выражение значения коэффициентовc1 и c2, найдем, что для λ max, выраженной в микрометрах,

T λ max = 2898, т. е. получим выражение закона смещения Вина, который также является следствием закона излучения Планка.

Ниже рассматриваются вопросы, возникающие при проектировании систем обнаружения пожара с извещателями пламени, реагирующими на электромагнитное излучение, исходящее из зоны горения.

В меньшей степени рассматриваемые вопросы относятся к извещателям «пульсационного типа, где используются в качестве информативного признака пульсации пламени при свободном горении.

Одним из вопросов возникающих при проектировании систем обнаружения пожара с извещателями пламени оценка обнаружительной способности конкретного вида извещателя по отношению к пламенам конкретных материалов. Ответ на этот вопрос определяет выбор извещателя и его размещение. Важным параметром является также помехоустойчивость извещателя по отношению к излучениям не связанным с пожаром, например, излучению Солнца и светильников.

В значительной мере время обнаружения определяется временем развития самого очага пожара.

Для обнаружения пожара основным параметрами являются интенсивность излучения пламени, исходящая из зоны горения и его угловые размеры.

Угловые размеры пламени очага видимые извещателем, определяются размером светящейся поверхности очага горения и расстоянием от очага до извещателя.

Следует учитывать, что размер «огненного шара» зависит от диаметра поверхности горения. Про очагах с диаметром поверхности горения до 1 м скорость выгорания имеет нелинейный характер и зависит от его диаметра [1].

Расчет параметров «огненного шара» в зависимости от типа горючего материала и условий горения для трех групп горючих материалов: сжиженных углеводородных газов, нефтепродуктов и твердых горючих материалов может быть осуществлен по методике [2]. Методика расчета интенсивности теплового излучения «огненного шара» в широком спектре электромагнитного излучения учитывает поглощение излучения атмосферой.

После того, как характер развития очага и его характеристики установлены производится оценка возможности его регистрации конкретным извещателем.

В общем случае, выбор извещателя производится по коэффициенту использования фотопреобразователя по отношению к спектру излучения пламени обращающихся в защищаемой зоне конкретных материалов (если таковые имеются) и отношению сигнал/помеха.

Для оценки распределения излучения по спектру может быть использована формула Планка для абсолютно черного тела.

При отсутствии экспериментальных данных, расчет излучения, исходящего из зоны горения в широком спектре может быть оценен с помощью формулы Стефана – Больцмана для абсолютно черного тела или по формуле Планка в широком спектре, как интеграл спектрального распределения излучения.

Расчет регистрируемого излучения с учетом избирательности фотопреобразователя пожарного извещателя может быть осуществлен с помощью формулы Планка как интеграл спектрального излучения в диапазоне избирательности фотопреобразователя.

В обоих случаях необходимо вносить поправки, поскольку пламя не является абсолютно черным телом.

Расчет излучения падающего на фотопреобразователь извещателя производится с учетом размеров очага пламени, размеров площадки фотопреобразователя и расстояния от извещателя до очага.

В связи со сложностью расчет по изложенной методике на практике не проводятся. Предлагается расчеты проводить в стандартном CAD по приводимой программе.

Данные об излучениях, создаваемых тестовыми очагами при сертификационных испытаниях имеются.

Данные о чувствительности извещателей к пламенам тестовых очагов приводятся в документации на извещатели.

Для осуществления выбора извещателя для регистрации горения конкретных материалов необходимо иметь сведения в его технической документации о чувствительности извещателя к пламенам конкретных горючих материалов или о спектральной чувствительности фотопреобразователя извещателя.

Чувствительность извещателя по отношению к тестовым очагам в технической документации приводится безусловно.

В случае отсутствия сведений о горючем материале может быть проведен расчет чувствительности извещателя к пламени этого материала с помощью приводимой методики и произведено его размещение.

Во избежание излишних расчетов должна быть создана база данных интенсивности спектрального излучения для различных горючих материалов. Кроме того, безусловно, техническая документация должна содержать сведения о спектральной чувствительности фотопреобразователя.

Исходя из полученных данных по чувствительности, принятого при проектировании допустимого размера очага определяется максимальное расстояние на котором регистрируется очаг.

При размещении извещателей в расчет принимаются высота подвеса и углы азимута и места. В качестве защищаемой площади удобнее принимать вписанные в эллипс прямоугольники.

Размеры зон затененных оборудованием не должны превышать размеров минимальных предельно допустимых площадей поверхности горения материалов.

Расчетные методики не применялись ранее вследствие сложности расчетов. Рекомендуется методика расчета параметров размещения извещателей пламени в среде MahtCad.

Интенсивность общего электромагнитного излучения очагов горящих материалов может быть оценена по методике [1]НПБ 107-97.

Интенсивность излучения очага зависит от типа горючего материала. Интенсивность излучения очага в определенном диапазоне спектра зависит от удельной массовой скорости выгорания материала, спектра излучения, среднеповерхностной плотности излучения, и размеров образующегося «светящегося шара». Размер «светящегося шара» зависит от площади поверхности разлива топлива, удельной массовой скорости выгорания и плотности окружающего воздуха.

Коэффициент пропускания атмосферы может быть оценен по методике [1]НПБ 107-97 с учетом селективного спектрального поглощения окружающей средой. Следует учитывать поглощение при возможном обледенении входного окна извещателей или поглощение водой при осадках и других воздействиях. Можно использовать данные по поглощению средой и спектры излучения углекислого газа и воды, образующиеся при горении углеводородных материалов, приведенные в [4] Справочник по лазерам. Том 1. Пер. с англ. Под ред. А. М. Прохорова. М. Сов. Радио, 78

Значения массовой скорости выгорания приведены в [2]ГОСТ 12.1.004-91.

Следует учитывать, что скорость выгорания постоянна только при диаметрах ограничения разлива (диаметрах резервуара) более 1,3 м [3].

При меньших диаметрах скорость выгорания имеет сложную зависимость от диаметра. В случае обнаружения очага с диаметром поверхности горения до 1,3 м в методику расчета высоты пламени должна быть введена скорость выгорания как функция от диаметра.

Зависимость скорости выгорания от диаметра для керосина, для примера, приведена ниже.

Чувствительность извещателей пламени к излучению горючих материалов зависит от доли совместимости спектральных характеристик излучения пламени горючего материала и спектра чувствительности преобразователя излучения, установленного в извещателе пламени (коэффициент использования преобразователя).

У большинства извещателей пламени инфракрасного диапазона чувствительности диапазон чувствительности перекрывает полосы соответствующие полосам излучения углекислого газа и воды, имеющиеся при горении углеводородных материалов. Хотя обнаружение загорания может быть осуществлено по излучению, создаваемого раскаленными до определенных температур материалами. Методы оценки создаваемых при горении температур приведены в [3].

Обнаружительная способность системы пожарной сигнализации с учетом технических параметров пожарных извещателей и их размещения определяет возможность выполнения целевых задач.

Выбор извещателя определяется, как правило, исходя из номенклатуры обращающихся в защищаемой зоне горючих материалов. Одним из критериев выбора извещателя пламени является наличие, среди прочих, материалов с высокой скоростью пламенного горения. Размещением извещателей, как правило, однозначно решаются вопросы обнаружения очагов загораний заданных размеров, за некоторое время связанное с характером развития пожара.

Выбор извещателей пламени, обеспечивающих достаточную для обнаружения пожара чувствительность по отношению к спектру пламен обращающихся горючих материалов представляет особую проблему.

Предусмотренные ГОСТ 50898-96 огневые испытания предусматривают испытания по определению чувствительности к пламенам тестовых очагов (спирта, н-гептана, древесины, полиуретана). Чувствительность извещателей к пламенам других материалов может и должна быть определена дополнительно.

Чувствительность извещателя к пламени горючего материала, в основном, определяется коэффициентом использования оптического фотопреобразователя извещателя к спектру излучения пламени горючего материала:

где:

F_l - значения лучистого потока источника в Вт, задаваемого аналитически или таблично;

S_l - значения относительной спектральной чувствительности преобразователя извещателя;

l - длина волны, мкм

Чувствительность извещателя выбирается исходя из уровня вероятного излучения помех, коими являются, как правило, излучение Солнца, источников искусственного освещения, излучение технологического оборудования.

В этой связи оценка правильности выбора извещателя должна производиться по этому параметру и по отношению сигнал / помеха.

Работы по определению значений коэффициентов использования для разных типов преобразователей по отношению к различным группам горючих материалов проводились ранее и могут быть продолжены. Методами определения коэффициентов использования являются экспериментальный - при неизвестных спектральных характеристиках материала и расчетный - при известных спектральных характеристиках пламен обращающихся материалов и преобразователей излучения извещателей.

Поглощением излучения пламени сопровождающими горение газами и водяным паром при развитии пожара со слабым выделением дыма и на малых расстояниях можно пренебречь. При развитии пожара с вероятным дымовыделением следует устанавливать дополнительно извещатели дыма или произвести оценку селективного поглощения излучения по известным методикам.

В соответствии с НПБ 88 пожарные извещатели пламени следует устанавливать на потолке, стенах, строительных конструкциях помещений таким образом, чтобы контролировать каждую точку защищаемой поверхности не менее чем двумя пожарными извещателями. Желательно извещатели размещать с таким условием, чтобы извещатели были направлены на защищаемую зону под разными углами. Последнее положение связано, в основном, с характером воздействия помех от искусственных и естесвенных источников на пожарные извещатели пламени.

Поскольку основным из естественных источников является Солнце, при размещении извещателей, важным является оценка пропускания и рассеяния солнечного излучения, при которой учитывается географическая широта места установки, т.е. положение источника, положение проемов по отношению к источнику, отражательные свойства пола, стен помещения, спектральные свойства стекол проемов и оптического преобразователя извещателя.

Такая же процедура производится для других предполагаемых источников помех естественного и искусственного происхождения.

После чего производится оценка отношения сигнала помехи к пороговому значению извещателя. Она не должна превышать значения 0,7 при максимальных значениях помехи.

Зоны на плоскости пола, образуемые сечением диаграммы чувствительности извещателя плоскостью пола имеют форму эллипсов. Так как поверхность пола должна быть защищена полностью, зоны чувствительности на защищаемой поверхности должны представлять из себя перекрывающиеся эллипсы и условно могут быть разбиты на прямоугольники.

Чувствительность извещателя в пределах указанного прямоугольника определяется исходя из расстояния от извещателя до контролируемой точки зоны с учетом поправки, связанной с изменением чувствительности по углу диаграммы чувствительности.

В случае, когда в документации указана только апертура извещателя, значения чувствительности на краях диаграммы принимаются по уровню 0,7 от максимальной.

Оптимизация размещения извещателей представляет из себя геометрическую задачу с учетом вышеуказанных параметров.

Исходными параметрами являются размеры предельно допустимых очагов пожара, чувствительность по диаграмме чувствительности к обращающимся материалам, размеры помещения.

Переменными величинами для одного извещателя являются высота подвеса и углы наклона оси извещателя в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Искомыми величинами являются количество извещателей и координаты их местоположения и углы наклона их осей.

В приложении приведены методы расчета параметров размещения.

Литература

1. И. М. Абдурагимов, А. С. Андросов, Л.К. Исаева, Е.В. Крылов «Процессы горения», М., изд. ВИПТШ МВД СССР, 1984.

2. НПБ 107-97 “Определение категорий наружных установок по пожарной опасности”.

3. В. В. Козелкин, И. Ф. Усольцев. Основы инфракрасной техники. М., Машиностроение, 1985.

. Особенности работы пожарных извещателей пламени

Пожарные извещатели, реагирующие на ИК излучение пламени очага загорания по принципу действия разделяются на три вида:

· извещатели, реагирующие на эффект пульсации (мерцания) ИК излучения пламени обнаруживаемого очага загорания;

· извещатели, реагирующие на постоянную составляющую пламени;

· извещатели, реагирующие на информационное излучение в различных диапазонах спектра ИК излучения.

Извещатели, реагирующие на эффект пульсации пламени, получили широкое применение благодаря простоте конструкции и более низкой стоимости по сравнению с извещателями, реагирующими на несколько поддиапазонов длин волн ИК излучения пламени, которые применяются в основном для защиты от загораний специальных объектов. Однако, извещатели, реагирующие на эффект пульсации пламени, обладают более низким быстродействием по сравнению с извещателями, реагирующими на несколько поддиапазонов спектра ИК излучения пламени.

При размещении извещателей исходят из предполагаемых размеров факела пламени и освещенности защищаемой поверхности солнечным излучением, поскольку чувствительность извещателя связана с установленной помехоустойчивостью к солнечному излучению.

Чувствительность извещателя к очагу пожара в метрах зависит от размера светящегося пятна пламени и спектра излучения пламени горючего материала.

При увеличении помехоустойчивости чувствительность, соответственно, сокращается.

Условия и характер горения материала (процесс испарения) определяют процесс обнаружения, поскольку при равной площади поверхности разлива (горения) высота факела и, соответственно, площадь поверхности сечения светящегося пятна может быть различной.

При использовании извещателя в условиях воздействия помех исходящих из зон, не относящихся к зонам контроля, на извещатель, как правило, устанавливается бленда, ограничивающая угол обзора извещателя в выбранных пределах.

Использование извещателя в зонах расположения оборудования с высокими рабочими температурами оболочки (свыше 200 град. С) в штатных режимах работы предполагает расчеты или экспериментальные измерения уровней фонового излучения разогретых поверхностей оборудования и стен или применение извещателя с узкой диаграммой чувствительности ориентированной на холодные поверхности.

Для контроля зоны по уровню излучения, где обращаются углеводородные материалы, диапазон чувствительности извещателей выбирается, как правило, в диапазоне от 2 до 4,3 мкм с основными полосами излучения воды и углекислого газа в диапазонах с максимумами в 2,8 мкм и 4,2 мкм, характерными при горении углеводородов.

Регистрация горения химических материалов, спектр которых не содержит указанных полос излучения воды и углекислого газа происходит за счет регистрации излучения, исходящего от перегретой поверхности зоны горения и излучения раскаленных частиц материала.

Извещатели, область чувствительности, которых выбрана в ближней инфракрасной области спектра (например, с преобразователями из Si, Ge, Pbs), обладают более низкой помехоустойчивостью к воздействию солнечного излучения, чем преобразователи, спектр которых смещен в более длинноволновую область спектра.

Извещатели реагирующие на переменную составляющую это извещатели пламени, где за полезный сигнал принимается только его изменение с частотой от 2 до 40 Гц (пульсация), характерное для свободного горения материалов.

Преимуществом метода является повышение помехоустойчивости извещателя к фоновым помехам постоянного уровня.

Недостатками извещателей пульсационного типа являются:

· невозможность регистрации полезной постоянной составляющей излучения, исходящего из зоны пожара, значение которой может достигать 98%;

· невозможность регистрации пожара, развитие которого происходит не от малого, свободно горящего очага, а со вспышки испарившихся материалов, при которой переменная составляющая очага пламени может быть не зарегистрирована, вследствие превышения размерами области вспышки размеров телесного угла зоны чувствительности извещателя;

· низкая помехоустойчивость к помехам, вызванным перемещающимися объектами и вращающимися элементами оборудования, качающимися деревьями, насекомыми и птицами на фоне постоянного фонового излучения;

Для использования в качестве привода автоматических систем пожаротушения предпочтение отдается извещателям, реагирующим на постоянный уровень излучения, не связанный с условиями горения и модулирующими воздействиями объектов, находящихся в защищаемой зоне, что и является задачей настоящего извещателя.

Помехоустойчивость к фоновым засветкам достигается за счет выбора спектральной области чувствительности извещателя.

Учитывая свойства атмосферы, содержащей в своем составе значительное количество водяного пара и углекислого газа, избирательно поглощать солнечное излучение, производится выбор полос чувствительности, что позволяет получить достаточную для выбранных условий помехоустойчивость к солнечному излучению.

Для повышения помехоустойчивости применяется 2-х спектральный способ обработки оптического сигнала.

При регистрации быстропротекающих процессов с постоянной времени менее 3 мс (перемещении малого перегретого тела, вспышке и т. п.) время существования сигнала от извещателя может оказаться недостаточным для срабатывания приемно-контрольных приборов. Для формирования извещателем продолжительного сигнала, извещатели снабжаются «защелкой». В этом случае происходит фиксация сработанного состояния до снятия с извещателя напряжения питания.

Дата добавления: 2014-12-27