Быстродействующая многоточечная оптикоэлектронная система контроля пламени и определения его пространственных координат
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 6
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР …………………………………………………………………………. 13
1.1 Пожаровзрывоопасность промышленных объектов ………………………………… 13
1.1.1 Анализ пожаровзрывоопасности объектов нефтегазовой
промышленности ……………………………………………………………………………………… 13
1.1.2 Анализ пожаровзрывоопасности угольных шахт ………………………………. 16
1.1.3 Механизмы образования и распространения волны горения горючей
смеси ……………………………………………………………………………………………………….. 19
1.2 Методы и технические средства обнаружения и локализации взрывов ……. 21
1.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с высокой
инерционностью ………………………………………………………………………………………. 22
1.2.2 Методы и средства контроля обнаружения и локализации взрывов с
высоким быстродействием ……………………………………………………………………….. 23
1.2.2.1 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов без
определения его пространственного расположения ………………………………. 24
1.2.2.2 Методы и средства обнаружения и локализации взрывов с
определением его пространственного расположения …………………………….. 26
1.3 Выводы по главе 1 ………………………………………………………………………………….. 33
2 РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ПРИНЦИПОВ ПОСТРОЕНИЯ
БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ
СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО
ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ ………………………………………………………….. 34
2.1 Требования к техническим параметрам разрабатываемой системы …………. 34
2.2 Принцип построения системы ………………………………………………………………… 36
2.3 Методы определения координат пламени ……………………………………………….. 39
2.3.1 Решение задачи определения координат пламени на основе метода
многофакторной полиномиальной регрессии ……………………………………………. 42
2.3.2 Решение задачи определения координат пламени на основе метода
регрессии нейронными сетями …………………………………………………………………. 44
2.3.3 Решение задачи определения координат пламени с использованием
численных методов решения нелинейных уравнений ……………………………….. 47
2.4 Сравнение методов определения пространственных координат пламени … 50
2.4.1 Методика исследования методов определения пространственных
координат пламени…………………………………………………………………………………… 51
2.4.2 Исходные данные для расчета выходных сигналов НОЭД ………………… 52
2.4.2.1 Расположение точек контроля на охраняемом объекте ……………….. 54
2.4.3 Исследование методов определения пространственных координат
пламени …………………………………………………………………………………………………… 57
2.5 Адаптация системы под объект заданной формы…………………………………….. 59
2.5.1 Алгоритм адаптации системы…………………………………………………………… 60
2.5.2 Проверка алгоритма адаптации системы для помещений сложной
формы ……………………………………………………………………………………………………… 65
2.6 Выводы по главе 2 ………………………………………………………………………………….. 68
3 РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ
МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ … 70
3.1 Разработка структурной схемы системы …………………………………………………. 70
3.2 Разработка некоординатного оптико-электронного датчика системы ………. 71
3.2.1 Применение компенсационного метода подавления оптических помех в
оптико-электронном датчике ……………………………………………………………………. 72
3.2.2 Определение оптимальных спектральных диапазонов контроля для
оптико-электронного датчика системы …………………………………………………….. 74
3.2.2.1 Методика определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля ………………………………………………………………………………………………. 74
3.2.2.2 Анализ спектральных характеристик излучения пламени и
источников оптических помех ………………………………………………………………. 75
3.2.2.3 Выбор фотоприемников для контроля излучения пламени и
оптических помех…………………………………………………………………………………. 77
3.2.2.4 Расчет критериев оптимальности для спектральных диапазонов
контроля ………………………………………………………………………………………………. 79
3.2.2.5 Результаты определения оптимальных спектральных диапазонов
контроля излучения пламени ………………………………………………………………… 82
3.2.3 Структурная схема оптико-электронного датчика системы ………………. 84
3.2.4 Алгоритм работы управляющей программы микроконтроллера для
оптико-электронного датчика …………………………………………………………………… 88
3.3 Высокоскоростная сеть передачи данных между оптико-электронными
датчиками и блоком обработки данных ……………………………………………………….. 90
3.4 Блок обработки данных системы…………………………………………………………….. 91
3.5 Выводы по главе 3 ………………………………………………………………………………….. 94
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕЙ
МНОГОТОЧЕЧНОЙ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ
ПЛАМЕНИ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕГО ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КООРДИНАТ … 95
4.1 Исследование параметров НОЭД ……………………………………………………………. 96
4.1.1 Расстояние обнаружения тестовых очагов пожара НОЭД …………………. 96
4.1.2 Угол обзора НОЭД …………………………………………………………………………… 98
4.1.3 Помехоустойчивость НОЭД к оптическим помехам ……………………….. 101
4.1.3.1 Исследование воздействия оптической помехи в статическом
режиме ……………………………………………………………………………………………….. 103
4.1.3.2 Исследование помехоустойчивости при одновременном
воздействии полезного сигнала и помехи ……………………………………………. 107
4.1.3.3 Исследование помехоустойчивости при модуляции излучения
лампы накаливания …………………………………………………………………………….. 110
4.2 Исследование параметров системы ……………………………………………………….. 114
4.2.1 Быстродействие системы ……………………………………………………………….. 114
4.2.1.1 Экспериментальная установка для исследования системы ………… 114
4.2.1.2 Методика проведения экспериментального исследования ………… 117
4.2.2 Исследование точности определения пространственных координат
пламени …………………………………………………………………………………………………. 120
4.2.2.1 Экспериментальный стенд для исследования точности …………….. 120
4.2.2.2 Методика экспериментального исследования …………………………… 121
4.2.2.3 Результаты исследования …………………………………………………………. 123
4.3 Выводы по главе 4 ………………………………………………………………………………… 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 127
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 129
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ ……………………………………………………….. 143
Существует множество техногенных объектов, связанных с применением взрывчатых и легковоспламеняющихся веществ или с возможным возникновени- ем горючих сред (например, объекты нефтегазовой и угольной промышленности). Обеспечение безопасности таких объектов в большинстве случаев осуществляется с помощью автоматических комплексов противопожарной защиты и взрывопо- давления.
При этом эффективное взрывоподавление достигается только при локали- зации взрыва на начальной стадии пламенного горения за счет высокого быстро- действия автоматического комплекса в целом, не превышающего 50 мс. Учиты- вая, что время срабатывания устройств взрывоподавления составляет 35 мс, быст- родействие системы контроля пламени не должно превышать 15 мс. Это требова- ние, как правило, выполняется благодаря использованию в качестве технических средств контроля наличия пламени оптико-электронных приборов. В соответ- ствии с ГОСТ 54777-2011 с точки зрения контроля под пламенем понимается зона горения газопылевоздушных смесей с видимым излучением, имеющая эквива- лентный диаметр не менее 0,5 м.
Дополнительное повышение эффективности автоматических комплексов взрывоподавления и, как следствие, увеличение безопасности техногенного объ- екта может быть достигнуто в случае, если система контроля будет способна не только быстро обнаружить наличие пламени, но и определить его пространствен- ное расположение. При этом благодаря точечной локализации отдельным взрыво- подавляющим устройством меньшего объема осуществляется рациональное ис- пользование огнетушащего агента, и сохраняется возможность локализации вто- ричных возгораний. Кроме того, такая организация локализации пламени являет- ся более безопасной для персонала.
На практике при разработке систем контроля наличия пламени недоста- точно внимания уделяется необходимости обнаружения пламени и определения
7
его трехмерных координат по всему объему охраняемого объекта и возможности адаптации системы под сложную геометрическую конфигурацию помещения. Следовательно, отдельные участки помещения могут остаться незащищенными, что приводит к несвоевременному обнаружению пламенного горения и снижению
уровня безопасности техногенного объекта.
Исходя из вышесказанного, актуальной и перспективной задачей является
разработка оптико-электронной системы (ОЭС) контроля пламени на взрыво- и по- жароопасных техногенных объектах, удовлетворяющей следующим требованиям: возможность обнаружения пламени во всем объеме охраняемого объекта сложной геометрической формы; высокое быстродействие (менее 15 мс); устойчивость к воз- действию оптических помех от источников освещения; возможность определения трёхмерных координат пламени для эффективной локализации горения по месту возникновения.
Степень разработанности темы.
Существенный вклад в изучение вопросов пожаровзрывобезопасности объектов нефтегазовой промышленности внесли такие ученые, как Абросимов А.А., Водяник В.И., Бесчастнов М.В., Корольченко А.Я. и другие. Их работы ка- саются совершенствования подходов к управлению пожаровзрывобезопасностью, исследования причин возникновения пожаров и взрывов при переработке углево- дородов. Проблемы взрывозащиты угольных шахт представлены в работах Айру- ни А.Т., Нецепляева М.И., Шевцова Н.Р., Мамаева В.И. и других учёных, работы которых внесли существенный вклад в изучение прогнозирования причин и усло- вий возникновения взрывов, характера их протекания, разработке и оценке эф- фективности способов предотвращения и локализации взрывов. В настоящее вре- мя работы в области промышленной безопасности и разработки средств обеспе- чения пожаровзрывобезопасности нефтегазовых и угледобывающих предприятий ведутся в АО «НЦ ВостНИИ» (г. Кемерово), АО «НИИ «Гириконд» (г. Санкт- Петербург), АО «Межведомственная комиссия по взрывному делу» и др. Анализ известных методов и средств обнаружения и локализации взрывов показал необ- ходимость разработки ОЭС контроля пламени, сочетающей в себе высокое быст-
8
родействие, возможность определения пространственных координат пламени,
возможность адаптации под охраняемый объект сложной геометрической формы. Целью работы является разработка принципа построения и создание быстродействующей многоточечной оптико-электронной системы контроля для обнаружения и определения координат пламени в охраняемом техногенном объек-
те сложной геометрической формы.
Задачи исследований.
1. Разработать принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и определения его пространственных координат.
2. Предложить метод определения пространственных координат пламени по значениям выходных сигналов некоординатных оптико-электронных датчиков (НОЭД), входящих в состав ОЭС.
3. Создать способ адаптации ОЭС под помещения сложной геометриче- ской формы.
4. Выработать техническое решение быстродействующей многоточечной ОЭС и входящих в ее состав НОЭД на основе разработанного принципа построе- ния и метода определения пространственных координат пламени.
5. Разработать методики и провести экспериментальные исследования спро- ектированной ОЭС в лабораторных условиях и условиях, близких к реальным условиям эксплуатации, и определить значения ее основных технических парамет- ров.
Объект исследования. Пламенное горение на потенциально опасном тех- ногенном объекте сложной геометрической формы.
Предмет исследования. Быстродействующая многоточечная ОЭС кон- троля пламени и определения его пространственных координат во всем объеме охраняемого техногенного объекта сложной геометрической формы.
Методы исследования. В рамках выполнения диссертационного исследо- вания использовались методы регрессионного анализа данных, численные методы поиска экстремумов функции, поисковые методы оптимального проектирования. Исследование применимости принципов и методов, положенных в основу работы
9
ОЭС, выполнялось на базе математического моделирования. При обработке ре-
зультатов измерений применялись методы математической статистики.
Научная новизна работы.
1. Предложен новый принцип построения быстродействующей многото- чечной ОЭС контроля пламени, основанный на совместной регистрации оптиче- ского излучения некоординатными оптико-электронными датчиками, количество, месторасположение и пространственная ориентация которых определяются гео- метрической формой внутреннего объема охраняемого техногенного объекта и требуемой точностью определения пространственных координат пламени.
2. Разработан метод определения координат пламени многоточечной ОЭС в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта, основанный на апри- орном получении (с учетом параметров охраняемого объекта, количества, место- расположения и пространственной ориентации датчиков) функции полиномиаль- ной регрессии, связывающей значения выходных сигналов датчиков и координа- ты пламени, и применении полученной функции в процессе работы ОЭС для рас- чета координат пламени.
3. Предложен способ адаптации ОЭС контроля пламени под геометриче- ские параметры охраняемого объекта, основанный на определении оптимальных параметров системы – количества некоординатных оптико-электронных датчиков, их пространственного расположения и ориентации – за счет использования чис- ленных методов минимизации целевой функции, полученной на базе математиче- ского моделирования ОЭС, и обеспечивающий заданную погрешность определе- ния координат пламени.
4. Впервые создана экспериментальная методика нахождения погрешности определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС, основан- ная на размещении тестовых очагов различного типа в реперных точках объемного испытательного стенда, имитирующего реальное охраняемое пространство, позво- ляющая установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
10
Практическая значимость
1. Выявлены оптимальные спектральные диапазоны контроля пламени уг- леводородовоздушных смесей (1,6 – 3,8 мкм и 2,6 – 4,7 мкм) и оптических помех от излучения ламп накаливания (0,78 – 1,1 мкм) и нагретых тел (3,88 – 3,92 мкм).
2. Разработан, с учетом выявленных спектральных диапазонов, принцип по- строения НОЭД, обеспечивающего исключение оптических помех в виде фоновой освещенности от ламп накаливания до 600 лк и излучения тел, нагретых до 350 °С, за счет использования компенсационного метода подавления оптических помех.
3. Разработано программное обеспечение, позволяющее определять коли- чество, месторасположение и пространственную ориентацию НОЭД (на основе задаваемых геометрических параметров охраняемого объема, концентрации и дисперсного состава пыли в промежуточной среде) для построения многоточеч- ной ОЭС обнаружения пламени с требуемой точностью определения простран- ственных координат пламени (не ниже 15 % согласно требованиям, предъявляе- мым к аналогичным системам) (Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ No 2018610282 от 09.01.2018).
4. Разработанная методология построения многоточечной ОЭС контроля пламени может использоваться при проектировании быстродействующих автома- тических комплексов взрывоподавления для увеличения безопасности техноген- ных объектов с пожаровзрывоопасными средами.
5. Разработан объемный измерительный стенд, обеспечивающий практиче- скую реализацию созданной экспериментальной методики нахождения погрешно- сти определения пространственных координат пламени многоточечной ОЭС.
Положения, выдвигаемые на защиту.
1.Принцип построения быстродействующей многоточечной ОЭС кон- троля наличия пламени на основе совокупности некоординатных оптико- электронных датчиков, расположенных специальным образом на охраняемом техногенном объекте, обеспечивающий высокое быстродействие (менее 15 мс) и требуемую приведенную погрешность определения координат пламени (не более 15 %) при наличии запыленной атмосферы и оптических помех.
11
2. Метод определения пространственных координат пламени, основанный
на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигналов НОЭД.
3. Способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной геометриче- ской формы и реализующий его программный комплекс для обеспечения кон- троля наличия пламени и определения его пространственных координат с задан-
ной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного объекта.
4. Методика исследования погрешности определения пространственных
координат пламени ОЭС в условиях, близких к реальным условиям эксплуатации. Достоверность полученных результатов работы обеспечивается кор- ректностью постановки задач, их строгой физической обоснованностью, логиче- ской взаимосвязью полученных экспериментальных данных, применением совре- менной измерительной техники и общепринятых методов обработки результатов. Достоверность подтверждается непротиворечивостью и воспроизводимостью ре- зультатов, удовлетворительным совпадением результатов экспериментов и расче-
тов.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования обсуж-
дались на Всероссийской научно-технической конференции «Измерения, автома- тизация и моделирование в промышленности и научных исследованиях» (г. Бийск, 2012 – 2014 гг., 2017 и 2018 гг.), International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (г. Новосибирск, 2012 – 2018 гг.), на XIV международной научно-технической конференции «Измерение, контроль, информатизация» ИКИ-2013 (г. Барнаул), международной научно- технической конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, ин- форматики и механики» АППМИМ-2016 (г. Воронеж). Результаты исследований представлялись на IV Международной выставке «Измерение, мир, человек – 2014» (г. Барнаул, золотая медаль выставки).
Личный вклад автора. Автором лично получены основные результаты, которые заключаются в формировании принципа построения быстродействующей многоточечной ОЭС контроля пламени и ее адаптации под охраняемый объект сложной формы, разработке оптимального метода определения пространственных
12
координат пламени на базе создания математической модели объекта контроля, планировании и проведении теоретических и экспериментальных исследований, обработке полученных данных, написании статей на основе полученных резуль-
татов.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации опубликованы в 40
научных работах, в том числе в 9 статьях журналов из перечня ВАК, в 13 статьях в международной базе цитирования Scopus, в 11 статьях в сборниках трудов междуна- родных и всероссийских научно-технических конференций, в 7 свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 112 наименований. Диссертационная работа изложена на 145 страницах машинописного текста, со- держит 10 таблиц, 45 рисунков.
1. Предложен новый принцип построения многоточечной ОЭС контроля
пламени на основе совокупности некоординатных оптико-электронных датчиков,
расположенных специальным образом на охраняемом техногенном объекте, обес-
печивающий возможность обнаружения пламени и определения его простран-
ственных координат по всему объему охраняемого помещения сложной геомет-
рической формы с требуемой точностью и высоким быстродействием.
2. Разработан метод определения пространственных координат пламени,
основанный на получении функции полиномиальной регрессии выходных сигна-
лов некоординатных оптико-электронных датчиков, что упрощает процесс вы-
числения, обеспечивая высокое быстродействие при сохранении требуемой по-
грешности даже в условиях запыленности атмосферы охраняемого объекта.
3. Предложен способ адаптации ОЭС под охраняемый объект сложной
геометрической формы, позволяющий определить оптимальное количество неко-
ординатных оптико-электронных датчиков, их пространственное расположение и
ориентацию с помощью численных методов поиска минимума целевой функции
для обеспечения контроля наличия пламени и определения его пространственных
координат с заданной погрешностью по всему объему охраняемого техногенного
объекта.
4. Разработано техническое решение быстродействующей многоточечной
ОЭС и НОЭД, входящих в ее состав. Определены оптимальные спектральные
диапазоны контроля излучения пламени с учетом применения в НОЭД компенса-
ционного метода подавления оптических помех. Разработан алгоритм функцио-
нирования блока обработки данных ОЭС.
5. Разработана новая методика исследования погрешности определения
пространственных координат пламени в условиях, близких к реальным условиям
эксплуатации, основанная на организации объемного испытательного стенда со
специально размещенными тестовыми очагами различного типа, позволяющая
установить влияние расположения зоны горения на точность контроля.
6. Проведены экспериментальные исследования спроектированной ОЭС в
лабораторных условиях и в условиях, близких к реальным условиям эксплуата-
ции. В результате определены значения технических параметров системы для
ОЭС из четырех НОЭД:
– размеры охраняемой зоны: 8×8×8 м;
– угол обзора НОЭД: 90°;
– быстродействие: 14 мс;
– погрешность определения координат пламени, не более 15 %;
– значение фоновой освещенности, создаваемое лампой накаливания, при
которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извещение – не
более 600 лк;
– значение температуры оптической помехи в виде излучения от нагретого
тела, при которой сохраняется работоспособность и не выдается ложное извеще-
ние – не более 365 °С.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.2 (6 отзывов)
5 (428 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
4.9 (522 отзыва)
4 (15 отзывов)
5 (174 отзыва)
4.2 (25 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
4.5 (80 отзывов)
