ChSTU repository

3 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП 5 
РОЗДІЛ  1.  Аналітичний огляд способів і засобів виявлення  
вогнищ  7 
1.1 Виникнення вогнищ загоряння та засоби їх виявлення на ранній  
стадії в газодисперсній системі 7 
1.2 Вплив проміжного середовища у вугільній шахті на виявлення  
вогнища загоряння пірометричним методом 15 
1.3 Зовнішні оптичні перешкоди (на прикладі вугільної шахти) 23 
Висновок до розділу 1 29 
РОЗДІЛ 2. Розроблення теоретичних принципів і технічних  
рішень 31 
2.1 Огляд параметрів контрольованого об'єкта. Технічні вимоги до  
розроблюваного приладу 31 
2.2 Розроблення структурної схеми оптико-електронного приладу двох  
спектральних відношень 36 
2.3 Електронна частина приладу 37 
2.4 Програмне забезпечення приладу 40 
2.5 Технічна реалізація оптико-електронного приладу двох  
спектральних відношень 42 
Висновок до розділу 2 45 
РОЗДІЛ 3. Дослідження основних параметрів лабораторного  
зразка оптико-електронного приладу  48 
3.1 Розроблення стенда для лабораторного дослідження  
оптикоелектронних приладів виявлення початкової стадії загоряння 49 
3.2 Методики визначення основних параметрів оптико-електронного  
приладу двох спектральних відношень у лабораторних умовах 52 
  
  
4 
3.3 Результати дослідження лабораторного зразка оптико-електронного 66 
приладу двох спектральних відношень 74 
Висновок до розділу 3 75 
РОЗДІЛ 4.  Експериментальне дослідження близьких до реальних  
4.1 Методики експериментального визначення параметрів системи в 80 
умовах близьких до реальних  
4.2 Результати визначення параметрів оптико-електронного приладу  
двох спектральних відношень для контролю вибухонебезпечної пилогазової 84 
атмосфери в умовах близьких до реальних 87 
Висновок до розділу 4 
ВИСНОВКИ 89 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 91 
ДОДАТОК А Акт впровадження  
ДОДАТОК Б Публікація  
ДОДАТОК В Презентація кваліфікованої роботи  
  
5 
ВСТУП 
 
 
Забезпечення безпеки в умовах вибухонебезпечних середовищ є одним із 
найважливіших завдань сучасної промисловості. Присутність у повітрі горючих газів, 
таких як метан, сірководень або пари органічних сполук, а також тонкодисперсного 
пилу створює вибухонебезпечні суміші, які можуть стати причиною тяжких аварій на 
підприємствах різних галузей, включаючи гірничодобувну, нафтохімічну, 
деревообробну, зернопереробну промисловість тощо. Навіть незначне джерело 
займання, наприклад, іскра чи нагріта поверхня, може спричинити вибух з 
катастрофічними наслідками для людей, обладнання та навколишнього середовища. 
Особливістю вибухонебезпечної пилогазової атмосфери є її динамічний 
характер: концентрації компонентів можуть змінюватися через природні або 
техногенні фактори. Це ускладнює завдання моніторингу та вимагає використання 
високотехнологічних рішень для вчасного виявлення критичних змін у складі 
атмосфери. Відсутність належного контролю або недостатня швидкодія систем 
моніторингу можуть призвести до затримки реакції на небезпечні умови, що значно 
збільшує ризики виникнення аварійних ситуацій. 
Сучасні методи контролю вибухонебезпечних середовищ передбачають 
використання різних типів сенсорів і приладів, серед яких найбільш поширеними є 
теплові, акустичні, газоаналітичні та оптико-електронні датчики. Останні показують 
найвищий потенціал завдяки можливості дистанційного та безконтактного 
вимірювання параметрів атмосфери з високою точністю і швидкістю. Оптико-
електронні системи здатні аналізувати як пил, так і газові компоненти, а також їх 
взаємодію, що дозволяє отримувати повну картину складу середовища. 
Однак існуючі системи контролю мають низку обмежень. Зокрема, вони 
можуть бути чутливими до оптичних перешкод, викликаних сторонніми джерелами 
випромінювання, або втрачати точність у сильно запилених середовищах. Це знижує 
їхню надійність у складних умовах промислових підприємств. Тому актуальним є 
6 
завдання розроблення нових систем, які забезпечують стабільну роботу навіть за 
наявності запиленості, вологи, теплових перешкод та інших негативних факторів. 
Створення таких систем вимагає комплексного підходу, що включає 
теоретичні дослідження методів вимірювання, розробку високотехнологічного 
обладнання, проведення комп'ютерного моделювання і експериментальних 
випробувань. Застосування сучасних алгоритмів обробки даних, зокрема методів 
машинного навчання, дозволить значно підвищити точність і надійність контролю. 
Виконання цієї роботи спрямоване на розв’язання зазначених проблем шляхом 
розроблення ефективної системи контролю концентрації вибухонебезпечних 
пилогазових компонентів атмосфери. Така система дозволить суттєво знизити ризики 
вибухонебезпечних ситуацій, сприятиме підвищенню рівня безпеки на виробництві 
та зменшенню економічних втрат, пов’язаних із аваріями. 
Мета роботи – розроблення та дослідження системи контролю концентрації 
вибухонебезпечної пилогазової компоненти атмосфери, яка забезпечує високу 
точність вимірювань і швидкодію навіть за складних умов експлуатації. 
Об'єкт дослідження – вибухонебезпечна пилогазова атмосфера з динамічно 
змінним складом компонентів. 
Предмет дослідження – методи, алгоритми та технічні засоби для контролю 
концентрації вибухонебезпечної пилогазової компоненти атмосфери, адаптовані до 
умов високої запиленості та оптичних перешкод. 
 
 
 
  
7 
РОЗДІЛ  1 
 АНАЛІТИЧНИЙ ОГЛЯД СПОСОБІВ І ЗАСОБІВ ВИЯВЛЕННЯ 
ВОГНИЩ  
 
 
1.1 Виникнення вогнищ загоряння та засоби їх виявлення на ранній стадії 
в газодисперсній системі 
 
Наявність горючої газодисперсної атмосфери характерна для багатьох 
промислових підприємств (нафтогазова та гірничодобувна промисловість, 
деревообробна промисловість, елеватори, борошномельне виробництво та ін.). 
Особливістю таких газодисперсних атмосфер є здатність до займання і подальшого 
вибуху, що може призвести до трагічних наслідків на виробництві. Типовим видом 
підприємств, де присутня горюча газодисперсна атмосфера, є гірничодобувні 
підприємства. Крім того, з урахуванням тяжкості наслідків аварій, що сталися 
внаслідок вибухів (спалахів) метану та вугільного пилу, розробка засобів виявлення 
вогнищ загоряння для вугільних шахт стає вкрай актуальною. 
Фізичні явища, що супроводжують осередок загоряння 
Пристрої виявлення загорянь ґрунтуються на вимірюванні параметрів 
фізичних процесів, які виникають у процесі розвитку осередку загоряння . Сукупність 
параметрів може характеризувати як саме вогнище загоряння, так і зміни 
властивостей середовища в приміщенні. Параметри, що супроводжують виникнення 
і розвиток осередку займання, поділяють на дві групи : пов'язані з процесом 
масопереносу (I) і не пов'язані з процесом масопереносу (II). 
Масоперенос під час горіння виникає внаслідок утворення конвекційних 
газових потоків, які забезпечують надходження свіжого повітря в зону горіння і 
відведення продуктів горіння з неї. Таким чином, до параметрів групи відносять 
виділення газоподібних продуктів горіння (здебільшого окису і двоокису вуглецю) і 
твердих частинок - диму. При цьому відбувається зміна оптичних властивостей 
8 
газового середовища і стає можливим виявлення вогнища загоряння за характерними 
спектрами випромінювання продуктів горіння.  
До параметрів групи II відносять спектральний склад та інтенсивність 
випромінювання, флуктуації інтенсивності випромінювання. Спектральний склад 
випромінювання і його інтенсивність залежать від потужності вогнища загоряння, 
горючого матеріалу і типу горіння (тліюче або полум'яне) і змінюється в міру 
розвитку вогнища горіння. У разі полум'яного горіння з плином часу, крім того, 
відбувається флуктуація інтенсивності випромінювання внаслідок «мерехтіння» 
полум'я. Раніше вважалося , що виявлення тліючого горіння практично неможливе, 
але розвиток сучасної елементної бази, зокрема вдосконалення приймачів оптичного 
випромінювання, дає змогу вирішити це завдання. 
Також до інформаційних параметрів загорянь II групи відносять зміну 
температури як у зоні виникнення вогнища загоряння, так і в навколишньому 
середовищі. Крім температури інформаційними параметрами вогнища загоряння, 
пов'язаними з температурою, є швидкість зростання температури та її флуктуації. 
Ще одним інформаційним параметром, що вказує на виникнення вогнища 
пожежі в приміщенні, є поява інфранизькочастнотних флуктуацій тиску повітря в 
закритому об'ємі. Для ізохорного процесу в закритому приміщенні зміна тиску прямо 
пропорційна температурі. Для реальної пожежі зміна тиску максимальна на 
початковій стадії розвитку і залежить від об'єму приміщення, ступеня його 
герметичності, виду та площі відкритої поверхні пожежного навантаження . Це явище 
дає змогу розробляти датчики виявлення вогнища пожежі, засновані на аналізі зміни 
характеристик акустичних процесів у повітряному середовищі приміщення, що 
охороняється. 
Існуючі засоби виявлення вогнищ загоряння в газодисперсному 
середовищі (на прикладі вугільної шахти) 
Розглянуті вище фактори, що супроводжують виникнення вогнища загоряння, 
можуть бути виявлені за допомогою різних датчиків. Далі проаналізовано способи 
їхньої побудови та проведено огляд датчиків розроблених і використовуваних для 
виявлення вогнищ загоряння в даний час. 
9 
Датчики тиску 
Відомий спосіб визначення координат осередку пожежі в глибині вугільного 
масиву та система для його здійснення . Спосіб полягає в реєстрації акустичних 
сигналів, що виникають під час горіння. Акустичні сигнали реєструються 
сейсмоприймачами, рознесеними по гірничій виробці, з яких по каналами передачі 
інформації (наприклад, у вигляді провідних кабелів або оптоволоконних кабелів, або 
радіохвиль) сигнал передають на блок оброблення сигналу та прийняття рішення. У 
блоці оброблення сигналу та ухвалення рішень здійснюється зіставлення образу 
отриманого сигналу з образом еталонного сигналу, встановленого під час тарування. 
До недоліків описаної системи можна віднести необхідність її попереднього 
налаштування на конкретний вугільний пласт.  
У літературі  вказується на неможливість практичного застосування 
акустичних датчиків унаслідок їх недостатньої завадостійкості та низької надійності. 
На момент написання роботи дані про технічні характеристики зазначеної системи та 
про впровадження системи знайдено не було.  
Датчики диму 
Дим є найбільш характерною ознакою пожежі, яка практично завжди 
супроводжується утворенням великої кількості димових частинок . Оскільки дим 
може з'являтися на ранніх стадіях нагрівання речовини, то можливе визначення 
загоряння за наявністю аерозольних слідів у повітрі. 
Димові датчики поділяються за принципом дії на іонізаційні та 
фотоелектричні . Робота іонізаційних датчиків заснована на принципі зміни 
електропровідності повітря, опроміненого α-променями радіоактивного джерела. 
Фотоелектричні димові датчики будуються на ефектах поглинання і відбиття 
світлової енергії частинками диму, в результаті змінюється і оптична щільність 
повітряного середовища. 
Робочі характеристики іонізаційного (радіоізотопного) і фотоелектричного з 
напівпровідниковим випромінювачем датчиків приблизно однакові. Різниця полягає 
в чутливості до окремих видів диму. Іонізаційні(радіоізотопні) датчики мають більшу 
чутливість до продуктів горіння з дрібних частинок. Фотоелектричні датчики краще 
10 
реагують на продукти горіння з укрупнених частинок аерозолів. Їх використовують, 
якщо можливий осередок загоряння матиме світлий дим, наприклад, під час 
початкової стадії тління целюлозовмісних матеріалів. 
Димові іонізаційні датчики чутливі до вологості в приміщенні (неприпустимо 
покриття датчика росою або інієм) і до речовин, що виділяються у виробничому 
приміщенні і призводять до корозії. Оптичні датчики диму не використовуються, 
якщо поряд з ними в приміщенні, що охороняється, встановлені і працюють пристрої 
зволоження повітря або високочастотні установки. Впливають на їхню ефективність 
і повітряні потоки, створювані вентиляцією. 
Перераховані вище обмеження показують неможливість широкого 
застосування димових датчиків для приладів виявлення вогнища загоряння у 
вугільних шахтах на ранній стадії його розвитку. 
Датчики контролю газового складу атмосфери 
Склад атмосфери вугільної шахти переважно складається з трьох газів: кисню 
O₂, азоту N₂ і метану CH₂. Додатково до складу атмосфери входять інші граничні та 
ненасичені вуглеводні (ацетилен C₂H₂, етилен C₂H₄, етан C₂H6, пропан C₃H₈, пропілен 
C₃H₂, бутан C₄H₁₀) та інші токсичні горючі гази (оксид вуглецю CO, сірководень H₂S, 
сірчистий газ SO₂, аміак NH₃ та ін.). Концентрація токсичних горючих газів у 
рудниковому повітрі ніколи не досягає вибухонебезпечних меж , тому вони не 
становлять небезпеки. 
Склад післявибухової атмосфери відрізняється від первісної тим, що в 
результаті хімічної реакції вибуху метано-кисневої суміші в атмосфері з'являються 
вуглекислий газ CO₂ і (або) окис вуглецю CO. Факт їхньої появи та концентрація 
залежать від виду реакції вибуху і до вибухової концентрації метану. На контроль 
концентрації вуглецевмісних оксидів CO і CO₂, що з'явилися, і орієнтовані датчики 
виявлення CO₂ і орієнтовані датчики виявлення вогнища загоряння. 
За принципом дії всі газові датчики можна класифікувати таким чином : 
а) термокаталітичні датчики. Принцип дії таких датчиків ґрунтується на 
каталітичному окисленні молекул контрольованого газу на поверхні чутливого 
елемента датчика і перетворенні тепла, що виділяється, в електричний сигнал; 
11 
б) електрохімічні датчики. У таких датчиках аналізований газ вступає в 
хімічну реакцію з електролітом комірки, при цьому виникають іони, і починає 
протікати струм. Струм пропорційний концентрації аналізованого компонента в 
пробі; 
в) напівпровідникові датчики. Принцип дії заснований на зміні поверхневого 
опору напівпровідникового матеріалу внаслідок адсорбції газу, що детектується 
г) оптичні датчики контролю газового складу атмосфери. Відомо, що багато 
газів мають характерні спектральні смуги поглинання в ділянці інфрачервоного 
випромінювання, зумовленого змінами коливально обертального стану молекул газу. 
Принцип роботи оптичних датчиків визначення концентрації газів ґрунтується на 
використанні в складі датчика джерела випромінювання з відомим спектром. 
Проходячи через проміжне середовище, випромінювання послаблюється і за зміною 
ослаблення випромінювання можна судити про концентрацію визначуваного газу. 
Основний недолік перших трьох типів датчиків - зміна структури чутливого 
елемента, що в умовах вугільної шахти посилюється наявністю парів кислотних і 
лужних підземних вод, а також так званих каталітичних отрут (деякі сірковмісні гази, 
пари силіконових сполук техногенного походження та ін.). Як наслідок, довговічність 
датчиків цих типів низька. Крім того, існує обмеження в часі вимірювання, яке 
залежить від часу протікання хімічних реакцій і становить кілька секунд. 
Оптичні газоаналізатори вільні від зазначеного недоліку, як наслідок вони є 
більш швидкодіючими (швидкодія становить частки секунди). Проте оптичні 
газоаналізатори реагують на вторинні ознаки виникнення вогнища загоряння, тому 
вони є менш швидкодіючими, ніж датчики, що реагують на первинні ознаки вогнища 
загоряння. 
У вугільних шахтах газові датчики, як правило, входять до складу комплексу 
контролю газового складу атмосфери і безпосередньо для виявлення пожежі не 
використовуються.  
Теплові контактні датчики 
В основі принципу дії теплових контактних датчиків лежать теплові 
властивості газів, рідин, металів і напівпровідників, явище термоелектрики. 
12 
Зазвичай у підземних виробках шахт і рудників застосовують два типи 
теплових датчиків: максимальної дії та максимально-диференціальної дії. 
Датчики максимальної дії спрацьовують у разі перевищення заданого рівня 
температури, а датчики максимально-диференціальної дії в разі підвищення 
температури навколишнього середовища на певну величину за заданий проміжок 
часу. 
Чутливим елементом контактних теплових датчиків є термопара. Основними 
перевагами таких датчиків є висока завадозахищеність і порівняльна простота 
пристрою. Недоліком є те, що для спрацьовування датчика необхідний безпосередній 
контакт чутливого елемента із зоною підвищеної температури. Тому відстань між 
датчиком і пристроєм вибухозаглушення має бути значною (кілька десятків метрів) . 
Також теплові контактні датчики є інерційними (кілька секунд), що не дає змоги 
виявити осередок загоряння на ранній стадії. 
До теплових датчиків також можна віднести термокабелі . Термокабель являє 
собою лінійний тепловий датчик, який дає змогу виявити джерело перегріву в будь-
якому місці на всьому його протязі. Термокабель також є інерційним (час відгуку 
кілька секунд), може реагувати тільки на локальне підвищення температури 
(температура спрацьовування датчика до 150-180 C) у безпосередній близькості від 
вогнища загоряння. Може використовуватися в місцях ускладненого доступу, 
наприклад, конвеєрні штреки. 
Оптико-електронні датчики 
Найперспективнішими з погляду забезпечення швидкодії є оптичні датчики, 
які реагують на світлове випромінювання полум'я в різних ділянках спектра: від 
ультрафіолетової до інфрачервоної .  
Такі датчики набули найбільшого поширення для виявлення вогнища 
загоряння у вугільних шахтах. Так, в автоматичній системі локалізації вибухів 
використовується датчик полум'я з фотоприймачем інфрачервоного випромінювання 
, що реагує на полум'я, утворене в результаті вибуху метану і вугільного пилу, 
діаметром 0,8 м з відстані 5 м. 
Основні технічні характеристики датчика полум'я : 
13 
- кут огляду фотоприймача датчика, градуси, не менше                         70, 
- швидкодія, с, не більше                                                                       0,002. 
Під час реалізації датчика використано радіаційний метод вимірювання 
температури, звідси випливає основний недолік датчика - на показання приладу 
впливають оптичні властивості проміжного середовища, відстань до вогнища 
загоряння, випромінювальна здатність речовини, що згорає, і продуктів горіння. В 
умовах запиленого проміжного оптичного середовища у вугільній шахті це може 
призвести до пропуску вогнища загоряння або виявлення вогнища загоряння з 
неприйнятно тривалою за часом затримкою. 
Недоліки описаного вище датчика усунуто в ОЕП виявлення початкової стадії 
розвитку вибуху  (рисунок 1.1). «Прилад призначений для виявлення вогнища 
загоряння на ранній стадії та формування електроімпульсу на запуск автоматичних 
засобів вибухозаглушення в автономному режимі в разі перевищення температури 
об'єкта, що охороняється». ОЕП виявлення початкової стадії вибуху в газодисперсних 
системах має такі параметри : 
- поріг спрацьовування, К                                                                       873, 
- час спрацьовування, мс, не більше                                                          1, 
- довжина зони, що охороняється, м, не більше                                     35, 
- межа допустимої основної похибки, К                                                 50, 
- напруга живлення, В                                                                               12 
Випромінювання об'єкта, що охороняється приходить на об'єктив 1 і 
розділяється світлоподілювальною пластиною 2 на два потоки, причому поділ 
відбувається навпіл. Кожен із цих потоків через світлофільтри 3 або 4 з різними 
спектрами пропускання потрапляють на фотодетектори 5. Для спрощення 
електронної частини приладу використовуються однакові фотодетектори для 
кожного каналу. Конструкцію оптичної частини приладу влаштовано таким чином, 
що об'єктив 1 фокусує потоки (після поділу) на чутливі вікна фотодетекторів. 
Світлофільтри 3 і 4 виділяють зі світлового потоку різні ділянки спектра. Сигнали з 
фотодетекторів 5 подаються на підсилювачі 7, 8і посилюються ними. Для виключення 
впливу температури корпусу датчика на значення сигналів з фотодетекторів у приладі 
14 
передбачено блок термостабілізації темнових струмів фотодетекторів 6. Сигнали з 
підсилювачів подаються до виконавчої схеми, яка складається з блоку 
мікроконтролера 9. Блок мікроконтролера обчислює відношення двох сигналів з 
підсилювачів 7, 8 і за отриманим значенням ухвалює рішення про початок загоряння. 
 
 
1 - об'єктив; 2 - роздільник світлового потоку; 3, 4 - світлофільтри; 
5 - фотодетектори; 6 - блок термостабілізації темнових струмів; 
7, 8 - підсилювачі-перетворювачі; 9 - блок мікроконтролера 
 
Рисунок 1.1 - Структурна схема ОЕП виявлення початкової стадії 
розвитку вибуху в газодисперсних системах 
 
Датчик не має достатньої перешкодозахищеності від зовнішніх оптичних 
перешкод. За наявними даними, достовірність ухвалення рішення датчиком за 
відсутності зовнішніх оптичних завад не гірша за 0,95; за наявності зовнішніх 
оптичних завад не краща за 0,15. Тому датчик встановлюють у таке приміщення 
шахти, де відсутній обслуговуючий персонал шахти і можливі джерела сторонніх 
засвічень. Таким чином, наразі актуальним є завдання розроблення подібних приладів 
із підвищеною завадозахищеністю, які могли б встановлюватися в будь-яке 
приміщення шахти. 
 
 
15 
1.2 Вплив проміжного середовища у вугільній шахті на виявлення 
вогнища загоряння пірометричним методом 
 
Під проміжним середовищем розуміють тверді, рідкі та газоподібні речовини, 
що перебувають між оптичним датчиком і об'єктом контролю. У таблиці 1.1 наведено 
отримані в результаті експериментальних досліджень похибки визначення 
температури трьома видами ОЕП у різних умовах поглинаючого середовища .  
Таблиця 1.1 - Вплив проміжного середовища на точність трьох типів ОЕП . 
 Похибка, %, в наслідок поглинання шаром товщиною1 м 
Тип ОЕП води перегрітої конденсованої  Повітря з вуглекисл
пари пари  бризками ого 
газу 
Сумарного 30 8 – 15 1,3 
випромінювання 
Часткового 2,5 0,3 2,5 7,5 0 
випромінювання 
з кремнієвим 
приймачем 
випромінювання 
Спектрального 1 0 1 0,1 0 
відношення з 
кремнієвим 
випромінюванням 
 
Згідно з даними, наведеними в таблиці 1.1, проміжне середовище може чинити 
значний вплив на показання оптичних датчиків, призводити до суттєвих похибок, 
робити роботу останніх неможливою. Вплив проміжного середовища також 
необхідно враховувати під час вибору типу ОЕП. 
Склад проміжного газодисперсного середовища 
Газодисперсне середовище являє собою систему, що складається з двох і 
більше компонентів, з яких один, званий дисперсною фазою, перебуває в стані 
подрібнення і більш-менш рівномірно розподілений усередині іншого, що має 
безперервну будову і носить назву дисперсного середовища. Атмосфера вугільної 
шахти - приклад газодисперсної системи. Вона складається із суміші газів і 
найдрібніших частинок твердої мінеральної речовини - рудникового пилу.  
16 
Рудничне повітря являє собою суміш атмосферного повітря, активних газів і 
суміші газів N₂ і CO₂ - так званого «мертвого повітря». 
«Правила безпеки у вугільних шахтах»  регламентують склад рудникового 
повітря. Так, під час перебування персоналу у виробці об'єм кисню має бути не менше 
ніж 20 %, об'єм діоксиду вуглецю - не більше ніж 0,5 % на робочих місцях і не більше 
ніж 0,75 % - на вихідному струмені. Допустима концентрація метану згідно з  не 
повинна перевищувати: 
- у вентиляційному струмені, що виходить із шахти, крила - 0,75 %; 
- у вентиляційному струмені, що виходить із дільниці, очисного вибою і 
підготовчої виробки - 1,0%; 
- у вентиляційному струмені, що надходить в очисні та підготовчі вибої - 0,5%; 
- місцеві скупчення - 2,0 %. 
Газовий склад атмосфери детально розглянуто в роботах . До основних 
отруйних домішок рудникового повітря відносять такі гази: 
1) окис вуглецю CO (допустима концентрація - не більш як 0,0016 % протягом 
6-7 годин і не більш як 0,008 % - за короткочасного впливу); 
2) сірководень H₂S (допустима концентрація - не більше 0,00066 %); 
3) сірчистий газ SO₂ (допустима концентрація - не більше 0,00035 %); 
4) оксиди азоту (NO, NO₂, N₂O₄) (допустима концентрація - не більше 
0,00026% у перерахунку на NO₂); 
5) акролеїн CH₂CHCHO (допустима концентрація - 0,000009 %); 
6) метан CH₄. У гірничих виробках метан виділяється з оголених поверхонь 
вугільних пластів, із відбитого вугілля, виробленого простору і в невеликих 
кількостях з оголених поверхонь порід. Метан утворює з повітрям горючі та вибухові 
суміші. За концентрації метану в повітрі менше 5 % газ горить біля джерела тепла, 
при вмісті газу 5-14 % - він вибухає, а при значенні понад 14 % метан не горить і не 
вибухає, але можливе горіння газу біля джерела тепла при припливі кисню ззовні. 
7) вихлопні гази, які складаються з багатьох компонентів і утворюються під 
час неповного спалювання палива, наприклад, окиснення сірки, розкладання 
складних ефірів мастил тощо. 
17 
Рудничний пил складається здебільшого з вугільних і породних частинок. Він 
може містити також незначні домішки металів, що утворюються внаслідок стирання 
бурових коронок, рейок та інших металевих поверхонь, що труться. поверхонь, що 
труться. Пил утворюється на всіх процесах гірничого виробництва. Згідно з  
первинними джерелами пилоутворення є: бурові роботи, вибухові роботи, 
навантажувально-розвантажувальні роботи, дроблення і транспортування руди по 
відкатних виробках. Вторинними джерелами пилоутворення є раніше осілий пил. 
Фізичні та фізико-хімічні властивості вугільного пилу викладено в літературі . 
Значний вплив на інтенсивність випромінювання об'єкта контролю має вміст 
вологи в проміжному середовищі вугільної шахти. У середньому у вугільних шахтах 
вологість становить від 80 до 90 %, у калійних шахтах від 15 до 60 % . Вміст природної 
вологи у вугіллі незначний, але волога діє на вугільний пил як інертна добавка , у 
зв'язку з цим застосовують спеціальні методи гідропиловибухозахисту: побілка 
виробок вапняно-вапняним розчином, цементним розчином, мокре прибирання пилу 
(обмивання), зв'язування пилу водними розчинами змочувачів або гігроскопічними 
змочувально-зв'язувальними складами (рідкими або пастоподібними), а також за 
допомогою безперервно діючих туманоутворювальних завіс.  
Оптичні властивості проміжного газодисперсного середовища 
У результаті проходження випромінювання через середовище воно 
послаблюється за рахунокрізних процесів взаємодії випромінювання із середовищем. 
Умовно процеси взаємодії випромінювання із середовищем ділять на два види : 
поглинання випромінювання газовими компонентами середовища й ослаблення за 
рахунок взаємодії з твердими і рідкими частинками, що перебувають у проміжному 
середовищі. Для вугільної шахти такими частинками будуть частинки води та 
вугільний пил. 
Поглинання проміжним середовищем 
Поглинання спричинене наявністю в проміжному середовищі низки 
газоподібних речовин, спектральні смуги поглинання яких розташовані в оптичній 
області . Поглинання є вибірковим і залежить від довжини хвилі випромінювання. 
Поглинання для неоднорідного середовища може бути описано законом Бугера  
18 
                                                  (1.1) 
де I₁ - сила випромінювання, що пройшло шлях l; I₀ - сила випромінювання на 
початку траси; кп(λ, l) - монохроматичний коефіцієнт поглинання.  
Монохроматичний коефіцієнт поглинання можна розрахувати на основі 
врахування впливу поглинання випромінювання даної довжини хвилі або частоти 
кожної лінії спектра, а також на основі моделей, що описують поглинання в смузі. 
Коефіцієнт поглинання може бути визначений експериментально. У даний час є 
достатня кількість спектроскопічних баз, що містять світлові дані про поглинання. 
дения про коефіцієнти поглинання для різних молекул і газових сумішей, наприклад, 
спектроскопічна база HITRAN  та інші .  
Вибірковість за спектром поглинання описується спектральним пропусканням 
і спектральним поглинанням середовища. Спектральне пропускання середовища 
задається функцією виду  
 
де I₁ - сила випромінювання, що пройшло шлях l; I₀ - сила випромінювання на 
початку траси; λ - довжина хвилі. Відповідно спектральне поглинання визначається 
як 
 
Для ділянки Δλ пропускання і поглинання задаються функціями  
 
 
Як було зазначено вище, до газового складу проміжного середовища вугільної 
шахти входить атмосферне повітря і деякі гази, специфічні для шахти, з яких метан 
присутній у найбільшій концентрації. Зі складових компонент атмосферного повітря 
найсильніше випромінювання поглинається парами води та вуглекислим газом . На 
19 
малюнку 1.2 показано спектральне пропускання земної атмосфери в оптичному 
діапазоні .  
В атмосфері існує певне число вікон прозорості - областей, всередині яких 
поглинання незначне. Ці вікна розташовані в таких інтервалах довжин хвиль: 0,4-1,0 
мкм, 1,2-1,3 мкм, 1,5-1,8 мкм, 2,1-2,5 мкм, 3-5 мкм, 8-13 мкм». Вибір робочих довжин 
хвиль оптичного датчика має проводитися таким чином, щоб вони перебували 
всередині вікон прозорості атмосфери. 
 
Рисунок 1.2 - Спектральний коефіцієнт пропускання 
атмосфери(довжина траси 1,852 км; товщина шару осадженої води 17 мм; 
метеорологічна дальність видимості 20 км (за довжини хвилі 0,6 мкм); 
спектральна роздільна здатність 0,025-0,050 мкм) 
 
У вугільній шахті крім атмосферних газів, у достатній кількості присутній 
метан, тому необхідно враховувати також поглинання молекулами цього газу. Спектр 
поглинання метану показано на рисунку 1.3 . 
20 
 
Рисунок 1.3 - Спектр поглинання метану 
Наявність у проміжному середовищі завислих твердих частинок (вугільного 
пилу) істотно змінює поглинальну здатність проміжного середовища. Поглинальна 
здатність проміжного середовища визначатиметься розмірами, концентрацією та 
фізичними властивостями твердих частинок . Спектральний коефіцієнт поглинання 
середовища визначається як 
 
де μ - концентрація частинок, що поглинають; γ - щільність частинок; k(r₀) - 
функція, що визначається розмірами частинок. При великих значеннях оптичних 
розмірів частинок r₀ величина kп(λ) стабілізується і перестає залежати від оптичного 
діаметра частинок. 
Таким чином, поглинання є важливим процесом під час поширення 
випромінювання і його необхідно враховувати, вводячи відповідні коефіцієнти під 
час розрахунку випромінювання, яке приходить на вхідну зіницю приладу. 
Розсіювання енергії випромінювання частинками проміжного 
середовища 
21 
Розсіювання випромінювання пов'язане з дифракцією електромагнітних хвиль 
на аерозольних частинках і на флуктуаціях густини повітря . Розсіювання 
випромінювання на частці містить у собі не тільки чисте розсіювання, а й поглинання 
випромінювання речовиною, з якої частка складається. У зв'язку з цим аерозольне 
розсіювання також часто називають аерозольним ослабленням.  
Коефіцієнт аерозольного ослаблення σa(λ) можна записати як . 
 
де σр(λ) - коефіцієнт розсіювання (відношення розсіяного часткою 
випромінювання до випромінювання, що падає на частинку); σп(λ) - коефіцієнт 
поглинання (відношення кількості поглинутої частинкою енергії до значення енергії, 
що падає на неї). 
Оптичні параметри аерозолів визначаються їхніми мікрофізичними 
параметрами (концентрацією, діапазоном розмірів, формою тощо), які можуть 
змінюватися навіть у межах одного й того ж типу аерозолю. Усе це ускладнює 
проблему розроблення оптичних моделей аерозолів. Найчастіше аерозольне 
ослаблення описують за допомогою теорії Мі як розсіювання на частинках сферичної 
форми, які задовольняють умові ρМі = 2πr / λ  λ , де ρМі -параметр розсіювання, що 
використовується в теорії Мі; r - радіус частинки; λ - довжина хвилі. 
У джерелі  наводяться деякі значення для коефіцієнта аерозольного 
ослаблення для частинок із різними розмірами. Для димки та туману (розмір частинок 
0,1 ... 1 мкм) розсіювання зменшується зі зростанням довжини хвилі випромінювання. 
Якщо частинки туману мають розмір частинок 1 ... 30 мкм коефіцієнт розсіювання 
залишається постійним. Поряд з аерозольним ослабленням, має місце і молекулярне 
розсіювання. Для визначення спектрального коефіцієнта молекулярного розсіювання 
використовується формула 
 
де N - число молекул в 1 см³; А - площа поперечного перерізу молекули, см²,  
λ - довжина хвилі випромінювання, см. Коефіцієнти молекулярного розсіювання для 
l = 10 км наведено в таблиці 1.2 . 
22 
Таблиця 1.2 - Коефіцієнти молекулярного розсіювання для l = 10 км 
λ, σрел( τ, % 
мкм λ), см-1 
0,35 79,3 45 
ꞏ10-8 
0,55 12,3 89 
ꞏ10-8 
0,76 3,30 97 
ꞏ10-8 
1,00 1,09 99 
ꞏ10-8 
1,20 5,25 – 
ꞏ10-9 
3,00 1,33 – 
ꞏ10-10 
5,00 1,73 – 
ꞏ10-11 
 
На основі аналізу спектральних коефіцієнтів молекулярного розсіювання 
σрел(λ) і коефіцієнта спектрального пропускання τ, наведених у таблиці 1.2, видно, що 
молекулярним розсіюванням в інфрачервоній ділянці можна знехтувати. 
Власне випромінювання частинок проміжного середовища 
Якщо в проміжному середовищі присутні частинки, нагріті до температури, 
порівнянної з температурою об'єкта контролю, то випромінювання, що сприймається 
приладом контролю, буде представляти суму випромінювання від об'єкта контролю і 
випромінювання від нагрітих частинок середовища. Сигнал на виході оптичного 
датчика запишеться як  
 
де  - коефіцієнт перетворення випромінювання фотоприймачем; G - параметр 
оптичної системи; s₀ - площа плями візування оптичного датчика;  - площа 
поверхні частинки, sч - діаметр частинки; E0, Еч - енергетична яскравість об'єкта і 
частинки. 
У разі відсутності частини 
 
23 
Похибка визначення температури запишеться як 
 
Де   Gsч E0 
Таким чином, проміжне газодисперсне середовище може мати значний вплив 
на роботу ОЕП контролю, роблячи його роботу в деяких випадках неможливою. Тому 
під час проектування приладу оптичні властивості проміжного середовища повинні 
враховуватися, наприклад, під час вибору спектральних діапазонів приладу та 
розроблення алгоритму визначення факту загоряння. 
 
 
1.3 Зовнішні оптичні перешкоди (на прикладі вугільної шахти) 
 
Вибір робочих спектральних діапазонів довжин хвиль ОЕП контролю 
вибухонебезпечної атмосфери має здійснюватися з урахуванням низки чинників, у 
тому числі впливу зовнішніх оптичних перешкод. 
Джерела штучного освітлення шахти 
Шахтні світильники - це освітлювальні прилади, призначені для використання 
у вугільних шахтах, рудниках, а також в інших галузях промисловості з 
вибухонебезпечними умовами. Основна особливість шахтних світильників - їх 
вибухозахищеність, у шахтах застосовують світильники РН, РП і РВ виконання . Як 
джерела світла в них можуть використовуватися: лампи розжарювання, компактні 
люмінесцентні лампи. Багато моделей вибухозахищених шахтних світильників 
нового покоління працюють зі світлодіодами. 
Вольфрамові лампи розжарювання є джерелами короткохвильового 
інфрачервоного випромінювання . Нитка лампи має температуру близько 3000 К, 
відповідно її максимум потужності випромінювання знаходиться в області 1 мкм. 
Середній коефіцієнт випромінювання вольфраму за температури 2800 К становить 
0,23 у діапазоні 2-3 мкм становить 0,23 .  
24 
Унаслідок залежності коефіцієнта випромінювання вольфраму від довжини 
хвилі криві спектрального розподілу випромінювання Meλ(λ, T) вольфраму 
відрізнятимуться від аналогічних кривих для абсолютно чорного тіла за тієї самої 
температури (рисунок 1.4) 
 
1 - вольфрам, 2 - абсолютно чорне тіло 
 
Рисунок 1.4 - Криві спектрального розподілу випромінювання Meλ(λ,T) 
вольфраму й абсолютно чорного тіла 
 
Для визначення величин, що характеризують випромінювання вольфраму, 
користуються законами випромінювання абсолютно чорного тіла і коефіцієнтами 
випромінювання: спектральним та інтегральним. Спектральний коефіцієнт 
випромінювання вольфраму ε(λ, T) залежить від температури та довжини хвилі 
(рисунок 1.5). Інтегральний (або повний) коефіцієнт випромінювання визначається в 
спектральному діапазоні, що охоплює всі довжини хвиль, і згідно з роботою 
«Інфрачервона термографія. Основи, техніка, застосування» Госсорга Ж.  «являє 
собою відношення енергії випромінювання, що випускається матеріалом при 
температурі T, до енергії випромінювання, що випускається чорним тілом за цієї ж 
температури». 
25 
Спектр випромінювання люмінесцентних ламп (ЛЛ) включає дві складові, які 
накладаються одна на одну: спектр випромінювання люмінофора (є переважним) і 
спектр випромінювання ртутного розряду. 
 
1 - при температурі 300 К; 2 - при температурі 1200 К; 
3 - за температури 1700 К; 4 - за температури 2100 К 
 
Рисунок 1.5 - Залежність спектрального розподілу випромінювання 
вольфраму від довжини хвилі за різних температур. 
 
Випромінювання розряду в парах ртуті зосереджено головним чином у двох 
лініях: λ₁ = 0,2537 мкм і λ₂ = 0,1849 мкм. 
Згідно з  ЛЛ поділяються на чотири типи залежно від спектрального складу 
(рисунок 1.6): 
- лампи денного світла ЛД, що мають колірну температуру 6000 К; 
- лампи холодного білого світла ЛХБ, що мають колірну температуру  
4300 К; 
- лампи білого кольору ЛБ, що мають колірну температуру 3450 К; 
- лампи теплого білого кольору ЛТБ, що мають колірну температуру  
2600 К 
26 
 
 
а) - лампа ЛД, б) - лампа ЛХБ, в) - лампа ЛБ, г) - лампа ЛТБ 
Рисунок 1.6 - Спектральні характеристики випромінювання 
люмінесцентних ламп 
 
Конструкція світлодіодного ліхтаря включає один або кілька «білих» 
світлодіодів. Для того щоб отримати білий колір світіння, використовують різні 
способи. Один із них - поєднання за допомогою оптичної системи кольорів трьох 
світлодіодів, розміщених на одній матриці, за RGB-технологією. У другому випадку 
білий колір отримують за рахунок покриття світлодіода люмінофором. 
27 
На малюнку 1.7 наведені спектри випромінювання двох типів «білих» 
світлодіодів: на основі p-n-гетероструктури InGaAlN і на основі індію-галію нітриду 
InGaN («теплий» білий світлодіод) . Показані спектри випромінювання світлодіодів 
(рисунок 1.7) за зовнішнім виглядом схожі зі спектром випромінювання 
люмінесцентних ламп.  
 
а - світлодіод на основі InGaAlN, б - світлодіод на основі InGaN 
 
Рисунок 1.7 - Спектральний розподіл енергії випромінювання білих 
світлодіодів 
 
Із розглянутих вище джерел штучного освітлення найбільший вплив на роботу 
ОЕП контролю для виявлення вогнища загоряння в газодисперсній атмосфері 
матимуть джерела у вигляді ламп розжарювання. Мінімізувати можливий вплив 
інших джерел штучного освітлення дає змогу вибір робочого діапазону приладу в 
області понад 700 нм. 
Теплове випромінювання нагрітих об'єктів шахти 
На показання приладу може вплинути теплове випромінювання сторонніх 
предметів (вузли обладнання, будівельні та металеві конструкції). Щоб описати 
розподіл енергії за спектром довжин хвиль для таких об'єктів можна скористатися 
законом Планка  
                        (1.2) 
28 
де Meλ - спектральна щільність енергетичної світності, C1 = 3,7415-10⁻¹⁶ Вт-
м², C₂ = 1,43879-10⁻²м-К. За λT < 3000 мк-К для практичних розрахунків можна 3 
формулу 
 
Для розрахунку потоку випромінювання в обраному спектральному діапазоні 
необхідно проінтегрувати вираз (1.2) в межах λ₁ ... λ₂. Також можна скористатися 
наближеною формулою, при цьому необхідно розбити діапазон  на n участках 
 
де λₙ - значення довжини хвилі в середині кожної ділянки. 
Закон Планка застосовний тільки до абсолютно чорного тіла. На 
практицібудь-який реальний тепловий випромінювач має коефіцієнтом 
випромінювання (коефіцієнтом чорноти) ε. Як уже було зазначено в п. 1.3.1, 
розрізняють спектральний ε(λ) та інтегральний εT коефіцієнти випромінювання. 
У літературі  наводяться значення коефіцієнтів випромінювання різних 
матеріалів. Залежність спектрального та інтегрального коефіцієнтів випромінювання 
від довжини хвилі визначається видом матеріалу: метал або діелектрик. 
Спектральний коефіцієнт випромінювання діелектриків у загальному випадку 
збільшується зі зростанням довжини хвилі, а в металів, навпаки, зменшується. 
Інтегральний коефіцієнт випромінювання діелектриків зі зростанням температури 
зменшується, а металів - збільшується. Інтегральний коефіцієнт випромінювання 
металів εT залежить від стану випромінювальної поверхні та ступеня її окислення. Для 
деяких металів виявлено функціональні залежності коефіцієнта випромінювання εT 
від характеру обробки поверхні, а також від її температури і ступеня окислення . 
Теплове випромінювання обслуговуючого персоналу шахти 
Під час проектування приладу необхідно враховувати можливість появи в 
приміщенні, де встановлено прилад, обслуговуючого персоналу, оскільки людина 
також є джерелом теплового випромінювання. На малюнку 1.8 наведено залежність 
спектрального коефіцієнта випромінювання ε(λ) людської шкіри . 
29 
 
Рисунок 1.8 - Спектральний коефіцієнт випромінювання людської 
шкіри 
 
Оскільки шкіра людини є діелектриком, її коефіцієнт випромінювання у 
видимій ділянці малий, а під час переходу інфрачервону ділянку спектра стає досить 
великим. Наприклад, за довжини хвилі понад 5 мкм коефіцієнт випромінювання має 
значення 0,98-0,99. 
Згідно із законом Віна максимум спектральної щільності енергетичної 
світності людського тіла за 36,6 °С (або 309,6 К) знаходиться на довжині хвилі 9,4 
мкм. 
 
 
Висновок до розділу 1 
 
У першому розділі роботи проведено аналітичний огляд сучасних методів і 
засобів контролю концентрації вибухонебезпечних пилогазових компонентів 
атмосфери. Проаналізовано ключові фізичні явища, що супроводжують утворення 
вибухонебезпечного середовища, та характеристики, які можна використовувати для 
його моніторингу. 
Розглянуто існуючі технічні засоби контролю, зокрема теплові, 
газоаналітичні, акустичні та оптико-електронні датчики. Встановлено, що оптико-
електронні системи демонструють значний потенціал для ефективного виявлення та 
моніторингу небезпечних концентрацій газів і пилу завдяки їх високій чутливості, 
30 
швидкодії та можливості безконтактного вимірювання. Проте виявлено низку 
проблем, які обмежують застосування таких систем у складних умовах: 
 Чутливість до запиленості та оптичних перешкод (світлові та теплові 
джерела); 
 Обмеження у точності вимірювань через змінність фізико-хімічних 
параметрів середовища; 
 Недостатня надійність роботи у динамічно змінних умовах промислових 
середовищ. 
Особливу увагу приділено аналізу впливу проміжного середовища 
(запиленість, вологість, оптичні властивості) та зовнішніх оптичних перешкод на 
функціонування існуючих систем. Визначено, що наявність таких факторів значно 
ускладнює роботу датчиків, що використовуються для виявлення вибухонебезпечних 
умов, і може призводити до помилкових спрацювань або пропусків загрозливих 
ситуацій. 
На основі проведеного огляду обґрунтовано актуальність створення нової 
системи контролю концентрації вибухонебезпечних пилогазових компонентів 
атмосфери, яка поєднує високу чутливість, швидкодію та здатність працювати у 
складних промислових умовах. Результати цього розділу стали основою для 
розроблення теоретичних принципів і технічних рішень, які будуть висвітлені у 
наступних розділах роботи. 
 
  
31 
РОЗДІЛ 2  
РОЗРОБЛЕННЯ ТЕОРЕТИЧНИХ ПРИНЦИПІВ І ТЕХНІЧНИХ 
РІШЕНЬ  
 
 
Під час проектування ОЕП контролю перед розробником стоїть низка завдань: 
- формулювання вихідних вимог до розроблюваного приладу; 
- розробка структурної схеми приладу; 
- вибір схеми побудови оптичної системи приладу; 
- енергетичний і габаритний розрахунки оптичної системи; 
- розробка електронної частини приладу і написання програмного 
забезпечення. 
Наступними етапами є безпосередня реалізація приладу та проведення 
випробувань. 
 
 
2.1 Огляд параметрів контрольованого об'єкта. Технічні вимоги до 
розроблюваного приладу 
 
Технічні параметри приладу, що розробляється, насамперед задаються 
параметрами контрольованого об'єкта, як який у цій роботі обрано вугільну шахту 
(див. п. 1.1). Тому першим кроком у проєктуванні приладу має стати аналіз 
параметрів контрольованого об'єкта, на основі якого буде сформульовано технічні 
вимоги до приладу, що розробляється. приладу, що розробляється. 
Прилад контролю забезпечує область зони, що охороняється, яка лежить 
всередині прямого конуса з вершиною в центрі вхідної зіниці об'єктива приладу. 
Спрощено конус, що задає область зони, що охороняється, приймається круговим 
(рисунок 2.1). Висота конуса l відповідає відстані від вхідної зіниці приладу до 
площини виникнення джерела загоряння. Основа конуса є колом із радіусом Rкр і 
32 
відповідає площі зони, що охороняється. Далі зону, що охороняється, будемо задавати 
через відстань l і площу зони, що охороняється. 
 
 
ОЕП - оптико-електронний прилад 
Рисунок 2.1 - Пояснення до розрахунку кутового поля оптичної системи 
 
Відповідно до рисунка 2.1 вираз для визначення кутового поля запишеться як 
                                       (2.1) 
де l - відстань до вхідної зіниці приладу, Sоз - площа зони, що охороняється. 
Площа зони, що охороняється, визначається мінімально допустимою площею 
перерізу виробки, встановленою Правилами безпеки у вугільних шахтах і становить 
1,5-9 м² . Відстань від вхідної зіниці приладу до потенційного місця виникнення 
вогнища загоряння на практиці не перевищує 10 м . У підготовчій виробці, що 
проводиться буропідривним способом, ця відстань становить 7-10 м, а в разі 
вибухозахисту розподільчого пункту з двох сторін - 4-6 м. Згідно з чинною 
нормативною документацією на випробування приладів виявлення вогнища 
загоряння  прилад повинен реагувати на випромінювання від тестових вогнищ ТП-5 і 
ТП-6 на відстані не менше 8 м. 
33 
Прийнявши за площу зони, що охороняється, середнє значення площі 
перетину виробки 5 м² і відстань до вхідної зіниці 10 м, кутове поле приладу за 
формулою (2.1) має дорівнювати 14,38 градусів. 
Під спалахом метану розуміють «короткочасне та інтенсивне згоряння 
обмежених обсягів горючих руд обмежених об'ємів горючих рудничних газів і 
вугільного пилу, що не супроводжується утворенням ударно-повітряної хвилі та 
руйнуванням гірничих виробок» . Спалах може перейти в займання або у вибух, 
наслідки, яких можуть бути руйнівними для всього вугледобувного підприємства.  
Існує велика кількість джерел займання у вугільних шахтах: детонуючий заряд 
під час проведення вибухових робіт, фрикційне іскріння, наявність нагрітих об'єктів 
усередині шахти тощо. Експериментально встановлено , що температура, за якої 
відбувається займання метану, становить близько 630-1220 °С. Не меншу небезпеку 
становить вугільний пил, який схильний до самозаймання і також може бути 
джерелом займання метану. Температура займання аеросуспензії пилу кам'яного 
вугілля залежить від стадії їхнього метаморфізму і перебуває в діапазоні 575-850 °С . 
Оскільки понад 60 % діючих вугільних шахт належать до третьої категорії 
небезпеки, надкатегорійних і небезпечних за раптовими викидами вугілля і газу , і 
причиною аварій у більшості випадків є вибух газу , як характерну температуру 
контрольованого об'єкта прийнято найменшу температуру, за якої відбувається 
займання метану - 630 °С. Зазначена температура визначатиме порогову чутливість 
проектованого приладу. 
Не менш важливим є час переходу спалаху у вибух, який становить за даними 
досліджень  від 10 до 20 мс, тому швидкодія системи виявлення та локалізації 
вогнища загоряння не повинна перевищувати 10 мс. Водночас згідно з нормативними 
документами  інерційність спрацьовування автоматичної системи вибухопригнічення 
має бути не більшою за 50 мс. З урахуванням того, що автоматична система 
пожежогасіння включає як щонайменше два компоненти - прилад контролю 
вибухонебезпечної пилогазової атмосфери та вогнегасний пристрій - необхідно 
оцінити швидкодії кожного компонента окремо. Типовим прикладом пристрою 
гасіння вибухового горіння є пилеметна газодинамічна мортира , розробником якої є 
34 
підприємство ТОВ Науково-виробниче підприємство «Система промислової 
безпеки». Швидкодія мортири становить 5 мс, з чого випливає, що час 
спрацьовування приладу для виявлення вогнища загоряння не повинен перевищувати 
5 мс, або якщо брати до уваги чинну на сьогодні нормативну документацію даний час 
нормативну документацію - 45 мс. Під час вибору параметрів швидкодії приладу 
контролю необхідно орієнтуватися на менше із зазначених значень. 
У загальному випадку на вхідну зіницю ОЕП контролю буде діяти потік 
випромінювання, що вставляє суму корисного сигналу (від вогнища загоряння) і 
паразитних сигналів від зовнішніх джерел перешкод. Джерелами перешкод для 
проектованого приладу будуть насамперед випромінювання шахтних світильників та 
інших нагрітих об'єктів. У загальному випадку можливі чотири варіанти ухвалення 
приладом контролю рішення про вид сигналу, що діє на його вхід, кожен з яких 
характеризується певною ймовірністю виникнення  (таблиця 2.1). 
 
Таблиця 2.1 - Варіанти прийняття рішення приладом контролю 
 Рішення, що приймається приладом 
Вид сигналу Виявлено вогнище Вогнище загоряння не 
загоряння виявлено 
Корисний сигнал Правильне виявлення Пропуск 
pпв pпр 
Завада / Хибне спрацьовування Правильне «невиявлення» 
сигнали відсутні pхс pнв 
 
При цьому мають дотримуватися рівності 
pпв + pпр =1, 
pхс + pнв =1. 
У разі якщо на вхідну зіницю приладу діють корисний сигнал і джерела завад, 
варіанти ухвалення рішення приладом контролю будуть аналогічні варіантам у разі 
дії на його вхід корисного сигналу та характеризуватимуться як варіанти ухвалення 
рішення приладом контролю, так і варіанти ухвалення рішення будуть 
35 
характеризуватись ймовірностями: рпв п - імовірність правильного виявлення в 
умовах зовнішніх оптичних перешкод, рпр п - імовірність пропуску загоряння в 
умовах зовнішніх оптичних перешкод. Ці параметри необхідно враховувати в разі, 
коли стоїть завдання достовірного виявлення сигналу. 
У літературі та нормативних документах, що стосуються безпеки 
вугледобувних підприємств, не міститься інформації про необхідний рівень 
забезпечення достовірності виявлення сигналу та ймовірності його правильного 
виявлення. Водночас у нормативних документах  щодо визначення розрахункових 
величин пожежного ризику вводиться поняття ймовірності ефективного 
спрацьовування системи пожежної сигналізації, яка визначається технічною 
надійністю елементів системи пожежної сигналізації, наведених у технічній 
документації, у разі відсутності таких відомостей значення приймається рівним 0,8. 
Фактично ймовірність спрацьовування системи визначення виникнення пожежі 
задається розробниками. Розробники сучасних приладів заявляють більш високу 
ймовірність правильного виявлення, ніж встановлене нормативною документацією 
значення 0,8, і гарантують практично повну відсутність помилкових спрацьовувань .  
У результаті аналізу параметрів контрольованого об'єкта та розроблених і 
функціонуючих приладів виявлення вогнища загоряння в газодисперсному 
середовищі  до проєктованого ОЕП контролю сформульовано такі вимоги: 
- кутове поле, градуси, не менше                                                                             14; 
- дальність дії, м, не менше                                                                                   10; 
- поріг чутливості за температурою, °С                                                               630; 
- час виявлення вогнища загоряння, мс, не більше                                    5; 
- імовірність виявлення вогнища загоряння за відсутності/присутності 
зовнішніх оптичних перешкод, не менше                                                               0,95; 
- імовірність помилкового спрацьовування, не більше                                  0,05 
 
 
 
36 
2.2 Розроблення структурної схеми оптико-електронного приладу двох 
спектральних відношень 
 
На основі узагальненої схеми побудови ОЕП  запропоновано структурну 
схему ОЕП двох спектральних відношень (рисунок 2.2). 
 
 
1 - об'єктив; 2, 2´, 2´´- світлофільтри; 3, 3´, 3´´- фотоприймачі 
БФ - блок формування інформаційних сигналів; БП - трьохканальний блок 
посилення; АЦП - трьохканальний блок аналого-цифрового перетворення 
сигналів; МК - блок мікроконтролера; БФІ - блок формування 
керуючого імпульсу; БС - блок зв'язку з персональним комп'ютером; 
ПК - персональний комп'ютер 
 
Рисунок 2.2 - Структурна схема ОЕП двох спектральних відношень 
 
Оптична система включає об'єктив 1, блок формування інформаційних 
сигналів БФ і світлофільтри 2, 2´, 2´´. Світловий потік від джерела загоряння та інших 
джерел оптичного випромінювання, що перебувають у зоні, що охороняється, за 
допомогою об'єктива 1 фокусується на чутливих майданчиках фотоприймачів 3, 3´, 
3´´. Блок формування інформаційних сигналів БФ, що знаходиться між об'єктивом і 
фотоприймачами, здійснює виділення з вихідного потоку випромінювання трьох 
інформаційних сигналів. У результаті утворюються три канали в приладі.  
37 
Потім кожен із трьох світлових пучків проходить через світлофільтри 2, 2´, 2´´ 
з різними спектральними діапазонами пропускання і потрапляє на фотоприймачі. 
Вихідний сигнал кожного фотоприймача надходить на відповідний вхід блоку 
підсилення. Після посилення сигнали оцифровуються за допомогою блоку аналого-
цифрового перетворення сигналів і обробляються за допомогою мікроконтролерного 
блоку. Обробка сигналів мікроконтролером у найпростішому випадку полягає в 
усередненні за часом сигналів каналів і розрахунку двох відношень, наприклад, U₁/U₂ 
і U₁/U₃. Таким чином, реалізується метод двох спектральних відношень для трьох 
каналів.  
За результатами порівняння отриманих спектральних відношень із заздалегідь 
заданими значеннями мікроконтролерний блок ухвалює рішення про виникнення 
(або відсутність) вогнища загоряння в кутовому полі приладу. У разі виникнення 
загоряння блок формування керуючого імпульсу БФІ формує сигнал активації 
пристрою пожежогасіння. 
Блок зв'язку з персональним комп'ютером (БС) є опціональним, він 
необхідний для початкового налаштування і лабораторного визначення параметрів 
приладу. 
Блок фотоприймачів є посередником між оптичною та електронними 
частинами приладу, тому далі блок фотоприймачів розглядатиметься як у розділі, що 
стосується проєктування оптичної системи приладу, так і в розділі, присвяченому 
розробленню електронної частини. 
 
 
2.3 Електронна частина приладу 
 
Електронна частина ОЕП двох спектральних відношень забезпечує виконання 
таких функцій: 
1) перетворення сигналів з фотоприймачів (струмів) у напругу, їх посилення й 
оцифрування; 
2) обчислення спектральних відношень; 
38 
3) ідентифікація сигналу, що надходить (корисний сигнал або перешкода), і 
ухвалення рішення про відсутність/присутність вогнища загоряння; 
4) формування керуючого імпульсу на активацію пристрою пожежогасіння в 
разі прийняття рішення про загоряння; 
5) підключення до персонального комп'ютера за стандартним інтерфейсом RS-232. 
При цьому першу функцію виконують блок посилення й аналого-цифрового 
перетворення сигналів, інші - блок мікроконтролера (див. рисунок 2.2). 
 
Блок підсилення 
Вихідним сигналом фотоприймачів, що використовуються в каналах ОЕП 
двох спектральних відношень, є електричний струм, який для зручності його 
подальшого опрацювання слід перетворити на напругу та підсилити. Класична схема 
перетворення електричного струму на напругу та його підсилення, виконана на базі 
операційного підсилювача , наведена на рисунку 2.24.Представлена на рисунку 2.24 
схема забезпечує перетворення струму в напругу у відношенні 1 В на 1 мкА вхідного 
струму.  
За результатами аналізу енергетичної підмоделі проєктованого приладу та з 
урахуванням спектральних характеристик чутливості обраних фотодіодів 
резисторами зворотного зв'язку для каналів 1 і 3 обрано резистори, що мають опір 51 
кОм, а для каналу 2 резистор опором 26 кОм. 
 
Рисунок 2.24 - Перетворювач-підсилювач струму фотодіода в напругу на 
операційному підсилювачі 
39 
Після аналізу ринку мікросхем операційних підсилювачів і з урахуванням 
рекомендацій щодо вибору операційних підсилювачів  для реалізації блока 
приймання та підсилення перевагу віддано мікросхемі AD8610 , яка має малу вхідну 
ємність, високий вхідний опір та широку смугу пропускання. вхідну ємність, високий 
вхідний опір і широку смугу пропускання. Блок підсилення включає три мікросхеми 
AD8610 (по одній на кожен канал). 
Блок керування та прийняття рішення. 
Основним елементом блоку керування та ухвалення рішення є 
мікроконтролер. Використання мікроконтролера дає змогу досить просто реалізувати 
алгоритми з прийняття приладом рішення, з'являється можливість накопичення і 
зберігання інформації про контрольований об'єкт, а також можливість адаптивного 
налаштування приладу на конкретний об'єкт контролю. 
Для реалізації блоку обрано 8-розрядний відносно високопродуктивний 
мікроконтролер ATmega8L з малим споживанням і невеликою ціною . 
Мікроконтролер має внутрішню Flash-пам'ять програм у 8 Кілобайт, що достатньо 
для запису в неї програмного забезпечення. Мікроконтролер має шестиканальний 
аналого-цифровий перетворювач (АЦП) із розрядністю 10 біт. 
Вихідні сигнали блоку управління і прийняття рішення подаються на вихідний 
блок, при цьому формуються сигнали двох типів. Перший із них призначений для 
активації блока формування електроімпульсу, який у свою чергу, пускає в хід 
механізм виконавчого пристрою, що забезпечує локалізацію і придушення вогнища 
загоряння. Другий сигнал призначений для зв'язку з персональним комп'ютером і є 
опціональним. Зв'язок із персональним комп'ютером здійснюється за допомогою 
інтерфейсу RS-232, тому в блоці керування та прийняття рішення для узгодження 
рівнів напруг послідовного інтерфейсу RS-232 і мікросхем серії ТТЛ 
використовується мікросхема ADM232L . 
 
 
 
 
40 
2.4 Програмне забезпечення приладу 
 
Одним із блоків структурної схеми приладу є блок підключення до 
персонального комп'ютера, тому програмне забезпечення приладу буде складатися не 
тільки з програми керування приладом для мікроконтролера, яка здійснюватиме 
зчитування та обробку сигналів з каналів приладу, а й із комп'ютерної програми 
керування приладом . 
Програма керування приладом 
Основне призначення комп'ютерної програми керування приладом зводиться 
до отримання сигналів фотоприймача від мікроконтролера приладу і подання їх у 
зручному для користувача вигляді. Програма керування приладом  повинна 
забезпечувати виконання таких функцій: 
- усереднення оцифрованих значень сигналів з кожного каналу; 
- обчислення спектральних відношень і ухвалення рішення про виникнення 
вогнища загоряння; 
- формування сигналу запуску виконавчого пристрою пожежогасіння в разі 
ухвалення рішення про виникнення вогнища загоряння; 
- синхронізацію приладу з персональним комп'ютером; 
- приймання та надсилання даних послідовним інтерфейсом у персональний 
комп'ютер.  
Усереднення оцифрованих значень із каналів необхідне для того, щоб 
виключити випадкові шумові зміни прийнятого сигналу. Для усунення шумових 
складових можуть використовуватися не тільки усереднення сигналу, а й програмні 
фільтри, наприклад, ковзного середнього, медіанного тощо. Але їх застосування 
накладає обмеження на такий параметр розроблюваного приладу як швидкодія. Тому 
в наявних ОЕП виявлення вогнища загоряння використовують усереднення 
прийнятих сигналів за часом , що на практиці є цілком достатнім. 
Для усереднення сигналу необхідно взяти N відліків і обчислити їхнє середнє 
значення. Кількість відліків N визначається часом роботи програми, який 
41 
визначається такою частотою мікроконтролера і кількістю тактів виконання 
програми. 
Для того щоб вибрати кількість відліків N слід розрахувати швидкодію 
приладу. Швидкодію ОЕП двох спектральних відношень розраховують, виходячи з 
часу опитування трьох каналів приладу і постійної часу використовуваних 
фотоприймачів  
                                          (2.2) 
де tК - час опитування одного каналу; τ - постійна часу використовуваних 
фотоприймачів. 
Своєю чергою, час опитування одного каналу визначатиметься часом 
виконання аналого-цифрового перетворення tАЦП і часом роботи програми tпрог 
                                                 (2.3) 
З урахуванням того що 
 
де fАЦП - тактова частота аналого-цифрового перетворення, NАЦП - кількість 
тактів необхідних для аналого-цифрового перетворення, NАЦП - кількість тактів 
мікроконтролера на виконання програми, fМК - тактова частота мікроконтролера. 
Для розрахункової оцінки швидкодії було написано програму для 
мікроконтролера приладу, в якій виконувалося усереднення значень сигналу, що 
приймається, за трьома відліками. За тактової частоти мікроконтролера 8 МГц, 
налаштування АЦП мікроконтролера на тактову частоту 125 кГц, кількості тактів 
необхідних для перетворення АЦП, що дорівнює 14, і кількості тактів для виконання 
команд програми мікроконтролера, що дорівнює приблизно 1500 (з урахуванням 
циклів), час опитування одного каналу становитиме 299,5 мкс. При значенні постійної 
часу для використовуваних у приладі фотодіодів, що дорівнює 10 мкс, розрахунковий 
час спрацьовування буде не більше 1 мс, що відповідає поставленим вимогам щодо 
швидкодії. 
 
42 
Комп'ютерна програма керування лабораторним зразком приладу 
Комп'ютерна програма керування лабораторним зразком ОЕП двох 
спектральних відношень  реалізує алгоритм обміну даними між персональним 
комп'ютером і блоком керування та прийняття рішення. 
Програма забезпечує виконання таких функцій: 
- отримання оцифрованих і усереднених сигналів фотоприймачів приладу 
через послідовний порт від мікроконтролера;  
- графічне відображення поточних значень сигналів; 
- відображення режиму роботи приладу («Спостереження» / «ПОЖЕЖА»). 
Розроблена програма потрібна для налаштування приладу, отримання та 
обробки даних під час його лабораторного дослідження. 
 
 
2.5 Технічна реалізація оптико-електронного приладу двох спектральних 
відношень 
 
У результаті проведеного комп'ютерного моделювання ОЕП двох 
спектральних відношень було визначено конструктивні параметри компонентів 
оптичної системи приладу та їхнє взаємне розташування, що дало змогу вибрати 
конкретні оптичні компоненти. Вибір оптичних компонентів здійснювався за 
каталогом Edmund Optics Inc. .  
Для використання в приладі було обрано двоопуклі оптичні лінзи, що мають 
діаметр і фокусну відстань рівні 30 мм, номер лінз за каталогом 63-556. Основні 
параметри лінз наведено в таблиці 2.10. 
Параметри обраних світлофільтрів наведені в таблиці 2.11, спектральні 
характеристики фільтрів показано на малюнку 2.25. Під час вибору розмірів 
світлофільтрів ураховували габаритні розміри використовуваних у приладі приймачів 
випромінювання. 
 
 
43 
Таблиця 2.10 - Основні параметри вхідних збиральних лінз 
Параметр Значення 
Діаметр, мм 30,00 
Фокусна відстань, мм 30,00 
Товщина по центру, мм 6,50 
Товщина по краю, мм 1,43 
Матеріал скла (за каталогом SCHOTT) N-SF11 
Діапазон робочих довжин хвиль, нм 400–2500 
 
 
Таблиця 2.11 - Основні параметри світлофільтрів 
Параметр Номер каналу (номер світлофільтра за каталогом) 
1 (67-843) 2 (65-749) 3 (65-793) 
Центральна довжина хвилі, нм 750 950 1550 
Ширина смуги пропускання, нм 40 50 12 
Діаметр, мм 25 
 
 
Рисунок 2.25 - Спектральні характеристики пропускання світлофільтрів 
44 
У приладі використовуються приймачі випромінювання S1227-1010BR і 
S1337-1010BR, фірми Hamamats.1010BR, фірми Hamamatsu  і фотоприймач ФД 
«Призма-5» . Параметри обраних фотоприймачів наведено в таблиці 2.12. 
 
Таблиця 2.12 - Основні параметри фотоприймачів 
Номер каналу (найменування фотоприймача) 
Параметр 
1 (S1227-1010BR) 2 (S1337-1010BR) 3 (ФД «Призма-
5») 
Область спектральної 
340–1000 340–1100 600–1800 
чутливості, нм 
Максимум спектральної 
720 960 1550 
характеристики, нм 
Струмова    
монохроматична    
чутливість при 0,43 0,62 0,64 
максимумі спектральної 
характеристики, А/Вт 
Темновий струм, А 50ꞏ10–12 200ꞏ10–12 3,9ꞏ10–6 
Постійна часу, с 7ꞏ10–6 3ꞏ10–6 10–5 
Розмір фоточутливого 10 × 10 10 × 10 5 × 5 
майданчика, мм 
 
Для ОЕП двох спектральних відношень розроблено повний комплект 
конструкторської документації, що включає складальне креслення, креслення 
окремих деталей, схема електрична принципова і топологія провідників друкованої 
плати . плати . На малюнку 2.26 показано розроблену тривимірну модель приладу. 
Для того щоб показати деталі, встановлені всередині корпусу, на малюнку 2.26 не 
показана бічна стінка. 
45 
 
1 - корпус, 2 - кришка корпусу, 3 - основа, 4 - друкована плата, 
5 - кріплення світлофільтрів, 6 – лінзи 
 
Рисунок 2.26 - Тривимірна модель приладу 
 
Для встановлення лінз у корпус виконано три круглі отвори в кришці корпусу. 
Діаметр отворів зроблено на 6-8 мм меншим за діаметр лінзи. Кріплення лінз 
здійснюється за допомогою клейового з'єднання. 
Інші компоненти оптичної системи закріплені на деталь Основа. Деталь 
виконана з оцинкованої сталі і встановлюється в корпус за допомогою чотирьох 
гвинтів. На деталь Основа на заданій висоті встановлюється друкована плата із 
впаяними компонентами, на яку, своєю чергою, встановлено деталь Кріплення 
світлофільтрів. 
Деталь Кріплення світлофільтрів являє собою пластину з оргскла, в якій 
виконано отвори для встановлення світлофільтрів і фотоприймачів. Отвори 
виконуються за допомогою фрезерно-свердлильного верстата. Профіль отворів має 
ступінчасту форму (рисунок 2.27). Світлофільтри та приймачі випромінювання 
кріпляться в отвір із більшим розміром.  Кріплення приймачів випромінювання і 
світлофільтрів здійснюється за допомогою клейового з'єднання. 
46 
 
1 - деталь Кріплення світлофільтрів, 2 - приймач випромінювання, 3 - 
світлофільтр 
Рисунок 2.27 - Схема закріплення світлофільтрів і приймачів 
випромінювання 
 
На бічній частині корпусу виконано отвір для встановлення роз'єму типу DB-
9F для під'єднання приладу до пристрою пожежогасіння та до персонального 
комп'ютера.  
Для реалізації електронної частини приладу розроблено схему електричну 
принципову, далі - виконано розміщення електронних компонентів на друкованій 
платі та розроблено топологію провідників друкованої плати. Усі етапи розроблення 
технічної реалізації електронної частини виконувалися в САПР KiCad EDA Suite . 
 
 
Висновок до розділу 2 
У другому розділі роботи розроблено теоретичні принципи побудови системи 
контролю концентрації вибухонебезпечної пилогазової компоненти атмосфери та 
запропоновано технічні рішення для її реалізації. Основними результатами розділу є 
такі: 
1. Формалізовано вимоги до розроблюваної системи контролю: 
o Забезпечення високої чутливості приладу до небезпечних концентрацій 
компонентів атмосфери. 
47 
o Стійкість до впливу зовнішніх оптичних перешкод, запиленості та 
вологи. 
o Висока швидкодія для своєчасного виявлення небезпечних ситуацій. 
2. Розроблено структурну схему оптико-електронного приладу, яка базується 
на використанні принципу аналізу випромінювання в декількох спектральних 
діапазонах. Це забезпечує можливість розділення сигналів від корисних 
компонентів та зовнішніх перешкод. 
3. Проведено розрахунок основних технічних параметрів системи, включаючи 
кутове поле огляду, порогову чутливість і швидкодію. Визначено, що система 
повинна бути здатна виявляти концентрації газів і пилу при температурі 630 °С 
на відстані до 10 метрів за час, що не перевищує 5 мс. 
4. Обґрунтовано вибір методів обробки даних, зокрема використання аналізу 
спектральних відношень для підвищення точності вимірювань у складних 
умовах. 
5. Запропоновано концепцію багатоканального аналізу, яка дозволяє одночасно 
оцінювати кілька параметрів атмосфери, таких як концентрація газів, 
запиленість та інтенсивність теплового випромінювання. 
Таким чином, у розділі сформовано теоретичну базу для створення системи 
контролю концентрації вибухонебезпечних пилогазових компонентів атмосфери, яка 
враховує вплив складних умов промислового середовища. Результати розділу стануть 
основою для проведення комп’ютерного моделювання, розроблення 
експериментального обладнання та його тестування, які розглядатимуться в 
наступних розділах роботи. 
 
  
48 
РОЗДІЛ 3  
ДОСЛІДЖЕННЯ ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ ЛАБОРАТОРНОГО 
ЗРАЗКА ОПТИКО-ЕЛЕКТРОННОГО ПРИЛАДУ  
 
Під час комп'ютерного моделювання ОЕП двох спектральних відношень було 
зроблено низку припущень, а саме осередок загоряння прийнято абсолютно чорним 
тілом, не враховувалася спектральна залежність коефіцієнта пропускання оптичної 
системи тощо. Тому слід перевірити правильність прийнятих припущень і 
достовірність виконаного комп'ютерного моделювання експериментально. С цією 
метою на основі запропонованих у другому розділі теоретичних положень і 
розрахунків було розроблено та виготовлено лабораторний зразок ОЕП двох 
спектральних відношень. Розроблений лабораторний зразок відрізняється від 
реального приладу тим, що являє собою прилад, який дає змогу проводити фізичне 
визначення його основних технічних параметрів, але який має деякі відмінності від 
приладу для промислового використання. відмінності від приладу для промислового 
застосування - не вибухозахищене виконання, можливість підключення до 
персонального комп'ютера, неавтономний блок живлення та ін.  
Згідно з п. 2.1 основними технічними параметрами ОЕП двох спектральних 
відношень є: кутове поле, дальність дії, поріг чутливості, час виявлення загоряння, 
вірогідність виявлення осередку загоряння та вірогідність хибного спрацьовування за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод. Перераховані параметри за 
винятком дальності дії та часу виявлення загоряння можуть бути визначені в 
лабораторних умовах. Дальність дії є параметром, який може бути опосередковано 
отримано під час визначення порога чутливості приладу. Визначення часу виявлення 
вогнища загоряння вимагає вогнища загоряння, що швидко розвивається загоряння у 
вигляді спалаху метаноповітряної суміші, створити таке вогнище загоряння в 
лабораторних умовах не є можливим. 
Методи випробувань засобів пожежної техніки стандартизовані і наводяться у 
відповідній нормативній документації. Але внаслідок суттєвої відмінності 
конструкції розробленого приладу та специфіки його роботи, застосування відомих 
49 
установок і методик , що використовуються для визначення параметрів пожежних 
сповіщувачів, що серійно випускаються, неможливе. Таким чином таким чином, для 
дослідження основних параметрів лабораторного зразка розробленого ОЕП двох 
спектральних відношень необхідний стенд для визначення цих параметрів. Доцільно, 
щоб розроблюваний стенд був універсальним, тобто давав змогу визначати всі 
необхідні параметри приладу в лабораторних умовах.  
- розробити стенд для лабораторного визначення основних технічних 
параметрів ОЕП виявлення початкової стадії загоряння параметрів ОЕП виявлення 
початкової стадії загоряння, що дає змогу визначати кутове поле, поріг чутливості, 
імовірність виявлення вогнища загоряння і ймовірність помилкового спрацьовування 
за відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод; 
- розробити методики визначення перерахованих вище чотирьох основних 
технічних параметрів розробленого приладу на основі стандартних методик 
проведення випробувань пожежної техніки ; 
- виконати експериментальне визначення основних параметрів ОЕПдвох 
спектральних відношень. 
 
 
3.1 Розроблення стенда для лабораторного дослідження 
оптикоелектронних приладів виявлення початкової стадії загоряння 
 
Стенд для лабораторного дослідження ОЕП виявлення початкової стадії 
загоряння повинен відповідати таким вимогам: 
- давати змогу визначати такі параметри ОЕП, як кутове поле, поріг 
чутливості, ймовірність виявлення вогнища загоряння та ймовірність помилкового 
спрацьовування за відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод; 
- працювати з різними типами джерел випромінювання; 
- мати можливість підключення досліджуваного ОЕП до персонального 
комп'ютера; 
50 
- використовувати стандартне обладнання для проведення досліджень 
оптичних та оптико-електронних приладів (оптична лава, штативи, тримачі тощо). 
На рисунку 3.1 показано будову розробленого стенда для лабораторного 
дослідження ОЕП виявлення початкової стадії загоряння . 
 
1 - оптична лава; 2, 5 - штатив; 3 - досліджуваний прилад; 4 - транспортир; 6 - 
джерело-імітатор вогнища загоряння; 7 - блок керування; 8 - блок живлення; 9 - 
персональний комп'ютер 
Рисунок 3.1 - Будова лабораторного стенда: а - загальний вигляд, 
 б - вигляд зверху(пунктирними лініями показано опціональні блоки) 
 
Стенд являє собою оптичну лаву 1, на якій за допомогою штатива 2 
закріплюється досліджуваний прилад 3 і за допомогою штатива 5 – джерело - імітатор 
вогнища загоряння 6. Транспортир 4 необхідний під час вимірювання кутового поля 
приладу. Прилад 3 встановлюється в центр транспортира 4 таким чином, щоб оптична 
вісь приладу проходила через мітку «0 градусів». Досліджуваний прилад може 
підключатися до персонального комп'ютера 8, що дає змогу відстежувати сигнали на 
51 
виходах приладу, проводити їхнє опрацювання і аналіз. Як джерело-імітатор вогнища 
загоряння 6 залежно від мети експерименту використовуються різні джерела, 
наприклад, зразковий випромінювач у вигляді моделі абсолютно чорного тіла (АЧТ) 
або газовий пальник. У разі необхідності джерело-імітатор вогнища загоряння 6 
підключається до блоку управління 7 або блоку живлення 8. 
Під час проведення експериментів у стенді застосовується зразковий 
випромінювач у вигляді моделі чорного тіла АЧТ-45/100/1000 (далі - випромінювач 
АЧТ), основні технічні параметри якого наведено в таблиці 3.1 .  
 
Таблиця 3.1 - Технічні параметри випромінювача АЧТ-45/100/1000 
Параметр Значення 
Діапазон відтворюваних  температур, °С від 300 до 1100 
Розміри випромінювальної порожнини, мм: діаметр вихідного 45 
отвору; відстань від переднього торця печі до (425 ± 5) 
випромінювальної вставки 
Коефіцієнт випромінювання порожнини, не менше 0,99 
Час виходу на стаціонарний режим, хв, не більше 120 
Дрейф температури випромінювача за 15 хвилин для 0,25 
стаціонарних режимів підтримання температурних режимів 
підтримання температури, °С, не більше  
Час переходу на інший стаціонарний режим, хв, не більше 120 
Похибка підтримання температури випромінювача в 0,5 
стаціонарному режимі, °С, не більше 
Довірча похибка відтворення температури за довірчої 1 °С + 0,6 % 
Ймовірності 0,95, не більше від встановленої 
температури 
 
Температуру випромінювальної порожнини випромінювача АЧТ регулюють 
за допомогою блока керування, а її значення відображають на цифровому табло. 
Значення температури може задаватися як з панелі блока керування, так і з 
персонального комп'ютера, який підключається до блока керування через інтерфейс 
RS-232. Експлуатація випромінювача АЧТ-45/100/1000 здійснюється відповідно до 
вимог, викладених у документації . 
52 
Газовий пальник під час проведення експериментів є джерелом імітатором 
вогнища загоряння, яким у реальних умовах буде виступати спалах метану. У 
розробленому стенді пропан-бутанова газова суміш подається в пальник із 
побутового газового балона, при цьому конструкція пальника дозволяє регулювати 
розмір полум'я за допомогою наявного вентиля. 
Також на штатив 5 кріпляться джерела можливих засвічень. Як джерела 
можливих засвічень відповідно до проведеного раніше теоретичного дослідження 
(див. п. 2.3.3.2) і нормативної документації  у стенді використовуються лампи 
розжарювання потужністю 60 і 100 Вт і люмінесцентні лампи потужністю 20 і 40 Вт. 
Зазначені джерела випромінювання являють собою побутові джерела освітлення, що 
встановлюються в електричні патрони для ламп без регулювання освітленості і 
підключаються до мережі 220 В.  
З урахуванням того що, аналогічний перелік параметрів мають і інші ОЕП 
виявлення початкової стадії загоряння  запропонований стенд є універсальним 
засобом для лабораторного дослідження приладів подібного роду. 
 
 
3.2 Методики визначення основних параметрів оптико-електронного 
приладу двох спектральних відношень у лабораторних умовах 
 
Визначення кутового поля, порога чутливості за температурою, імовірності 
виявлення вогнища загоряння та ймовірності хибного спрацьовування за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод ОЕП двох спектральних 
відношень проводиться на описаному в п. 3.1 лабораторному стенді. Досліджуваний 
прилад під'єднується до персонального комп'ютера зі встановленим на ньому 
розробленим програмним забезпеченням , що дозволяє в режимі реального часу 
відстежувати зміну сигналів на виходах каналів приладу і сигнал, що подається 
приладом на виконавчий пристрій. Останній показує факт відсутності/виникнення 
вогнища загоряння в кутовому полі зору приладу. 
53 
Як правило, всі дослідження виконуються в темній кімнаті за відсутності 
фонового засвічення у вигляді джерел штучного освітлення і сонячного світла. Якщо 
для проведення експериментів потрібне створення фонової освітленості, це окремо 
обумовлюється під час опису методики. 
У наведених нижче методиках визначення основних параметрів ОЕП двох 
спектральних відношень необхідно провести серію з N вимірювань. Згідно з  для 
задовільної точності в оцінці значення вимірюваної величини кількість вимірювань 
має бути не менш як п'ять за довірчої ймовірності α = 0,95. 
Напівширина довірчого інтервалу в разі нормального закону розподілу 
похибок, що найчастіше трапляється на практиці під час роботи з електронними 
приладами, і малої кількості вимірювань визначається за формулою: 
                                                       (3.1) 
де tα, N - коефіцієнт Стьюдента, σ - середнє квадратичне відхилення окремого 
вимірювання, N - кількість вимірювань. 
З формули (3.1) випливає 
                                                       (3.2) 
Прийнявши відношення / рівним, наприклад, 0,5 , можна, задаючи кількість 
вимірів у серії N і використовуючи відомі значення коефіцієнта Стьюдента tα, N, 
визначити значення N, за якого відношення / досягає необхідного значення. Для 
того щоб забезпечити значення відношення /=0,5необхідно провести 18 
вимірювань, але з урахуванням того, що в експериментальних даних можуть 
міститися грубі помилки, які відкидаються під час обробки результатів експерименту, 
кількість вимірювань N має бути більшою за 18. Таким чином, кількість вимірювань 
N має бути не меншою за 20 за довірчої ймовірності α, що дорівнює 0,95. 
Методики визначення ймовірності виявлення вогнища загоряння за 
відсутності/присутності оптичних перешкод та ймовірності хибного спрацьовування 
Найбільш очевидний спосіб визначення ймовірності виявлення рпо і 
ймовірності помилкового спрацьовування рл полягає в безпосередньому підрахунку 
54 
кількості спрацьовувань (або неспрацьовувань) приладу під час впливу на його вхідну 
зіницю джерела-імітатора вогнища загоряння і (або) джерел зовнішніх оптичних 
засвічень. До безпосереднього визначення ймовірності виявлення та ймовірності 
помилкового спрацьовування необхідно задати значення відношення сигнал-шум µ, 
яке записується в програму керування приладом. Згідно з раніше проведеними 
теоретичними дослідженнями (п. 2.3.3.2) відношення сигнал-шум обрано рівним 2. 
Відповідно до рекомендацій  імовірність виявлення вогнища загоряння визначається 
на основі серії експериментів, кожен з яких полягає у знятті світлонепроникної 
перегородки між вхідною зіницею приладу та джерелом-імітатором вогнища 
загоряння і фіксації спрацьовування або пропуску загоряння.  
Розроблено таку методику визначення ймовірності виявлення вогнища 
загоряння за відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод: 
а) виконати складання стенда для лабораторних досліджень (див. п. 3.1), у  
як джерело випромінювання встановити випромінювач АЧТ. Досліджуваний 
прилад встановити таким чином, щоб вхідна зіниця приладу була спрямована на 
випромінювач, і оптична вісь приладу проходила через джерело випромінювання. 
Для того щоб потік випромінювання на вхідній зіниці приладу відповідав 
розрахунковому значенню порога спрацьовування за температурою (який згідно з пп. 
2.1 і 2.3.3.1становить ТОВ = 630 °C при відстані до вхідної зіниці приладу ІОВ = 10 м і 
видимій площі осередку займання АОВ = 1 м2) випромінювач АЧТ установлюється на 
відстань 0,4 м від вхідної зіниці приладу і виводиться на температуру 630 °C. 
Досліджуваний прилад підключити до персонального комп'ютера через інтерфейс 
RS-232; 
б) виміряти радіометром енергетичну освітленість ЕАЧТ, створювану 
випромінювачем АЧТ на вхідній зіниці приладу, зняти зі стенда випромінювач АЧТ;  
в) встановити газовий пальник на відстані 1 м від вхідної зіниці приладу. 
Регулюючи розмір полум'я домогтися, щоб енергетична освітленість на вхідній зіниці 
приладу дорівнювала ЕАЧТ. У розробленій методиці перевагу віддано налаштуванню 
джерела-імітатора вогнища загоряння не за розрахунковим значенням енергетичної 
освітленості, а за випромінювачем АЧТ, оскільки на практиці на роботу приладу 
55 
впливатиме низка чинників, зокрема, умови проведення експерименту. Крім того, сам 
радіометр буде вносити похибку під час встановлення освітленості. У пропонованій 
методиці ця похибка буде мінімізована. Під час подальших лабораторних 
випробувань значення рівня енергетичної освітленості, створюваної газовим 
пальником, не повинно відрізнятися від початкового значення більш ніж на 10 % . 
Рівень енергетичної освітленості слід постійно контролювати радіометром, і за 
необхідності виконувати його регулювання, зменшуючи або збільшуючи розмір 
полум'я пальника; 
г) встановити світлопроникну перегородку між вхідною зіницею  
приладу і газовим пальником; 
д) виконати серію з N дослідів (для підвищення точності результатів 
вимірювань рекомендується вибрати значення N = 100), які полягають у тому, що в 
однакових умовах з перервами не менше однієї секунди  прибирають перегородку між 
джерелом випромінювання та приладом і фіксують спрацьовування приладу або 
пропуск загоряння за допомогою комп'ютерної програми або за допомогою сигналу, 
що видається самим приладом;  
е) розрахувати ймовірність виявлення вогнища загоряння на основі отриманих 
експериментальних даних за формулою 
                                                       (3.3) 
де Nсп - кількість спрацьовувань приладу, N - кількість експериментів у серії; 
ж) оцінити ймовірність виявлення вогнища загоряння в кожному окремому 
експерименті на основі інтервальної оцінки генеральної частки  
ознаки N  30  
                                  (3.4) 
Де w=M/N - вибіркова частка ознаки; М - кількість об'єктів вибірки, що 
володіють альтернативною ознакою, у цьому випадку кількість спрацьовувань  
56 
приладу Nсп; N - кількість об'єктів вибірки; tα - аргумент функції Лапласа за 
довірчої ймовірності α. Формула (3.4) справедлива для великої вибірки (N), на 
практиці ж зазвичай приймають N  30; 
з) виконати визначення ймовірності виявлення вогнища загоряння з  
установленими на стенд джерелами перешкод (див. п. 2.3.3.2). Додатково 
установити на стенд джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання потужністю 
60 Вт таким чином, щоб на вхідній зіниці приладу забезпечувалася освітленість 250 
лк . Потік випромінювання, створюваний лампою розжарювання, не повинен 
перешкоджати потраплянню потоку випромінювання від джерела-імітатора вогнища 
загоряння і навпаки. Під час проведення лабораторних дослідів значення рівня 
освітленості, створюваної джерелами випромінювання, не повинно відрізнятися від 
початкового значення більш ніж на 10 % . Контроль освітленості виконується за 
допомогою люксметра; 
і) повторити пп. г-ж зі встановленим джерелом перешкоди;  
к) зняти зі стенда джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання 
потужністю 60 Вт і встановити на стенд джерело перешкоди у вигляді лампи 
розжарювання потужністю 100 Вт. Встановлення зазначеної лампи виконується 
аналогічно п. з); 
л) повторити пп. г-ж зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді лампи 
розжарювання потужністю 100 Вт; 
м) зняти зі стенда джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання 
потужністю 100 Вт і встановити на стенд джерело перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 20 Вт таким чином, щоб на вхідній зіниці приладу 
забезпечувалася освітленість 2500 лк . В іншому встановлення зазначеної лампи 
виконується аналогічно п. з); 
н) повторити пп. г-ж зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 20 Вт; 
о) зняти зі стенда джерело завади у вигляді люмінесцентної лампи потужністю 
20 Вт і встановити на стенд джерело завади у вигляді люмінесцентної лампи 
потужністю 40; установлення зазначеної лампи виконується аналогічно до п.п. м); 
57 
п) повторити пп. г-ж зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 40 Вт.  
Аналогічним чином визначається ймовірність помилкового спрацьовування. 
Відмінність від описаної вище методики визначення ймовірності виявлення вогнища 
загоряння полягає у використанні як джерела випромінювання можливих джерел 
перешкод (див. п. 2.3.3.2). Розроблена методика визначення імовірності хибного 
спрацьовування полягає у виконанні таких дій: 
а) виконати складання стенда для лабораторних досліджень (див. п. 3.1).  
Складання стенда виконується аналогічно до п. а) методики визначення 
ймовірності виявлення вогнища загоряння за наявності/відсутності зовнішніх 
оптичних завад; 
б) установити на стенд джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання 
потужністю 60 Вт таким чином, щоб на вхідній зіниці приладу забезпечувалася 
освітленість 250 лк . Під час проведення лабораторних досліджень значення рівня 
освітленості, створюваної джерелами випромінювання, не повинно відрізнятися від 
початкового значення більш ніж на 10 % . Контроль освітленості виконується за 
допомогою люксметра; 
в) встановити світлопроникну перегородку між вхідною зіницею приладу і 
джерелом перешкоди; 
г) виконати серію з N дослідів (для підвищення точності результатів 
вимірювань рекомендується вибрати значення N = 100), які полягають у тому, що в 
однакових умовах з перервами не менше однієї секунди  прибирають перегородку між 
джерелом випромінювання завади та приладом і фіксують хибне спрацьовування 
приладу або відсутність спрацьовування за допомогою комп'ютерної програми; 
д) розрахувати ймовірність хибного спрацьовування на основі отриманих 
експериментальних даних за формулою 
 
де Nсп - кількість спрацьовувань приладу, N - кількість експериментів у серії; 
58 
е) оцінити довірчий інтервал для ймовірності хибного спрацьовування у 
кожному окремому експерименті за формулою  
                                   (3.5) 
w=M/N - вибіркова частка ознаки; М - кількість об'єктів вибірки, що володіють 
альтернативною ознакою, у цьому випадку кількість спрацьовувань приладу Nсп; N - 
кількість об'єктів вибірки; tα - аргумент функції Лапласа за довірчої ймовірності α.  
ж) зняти зі стенда джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання 
потужністю 60 Вт і встановити на стенд джерело перешкоди у вигляді лампи 
розжарювання потужністю 100 Вт. Встановлення зазначеної лампи виконується 
аналогічно; 
з) повторити пп. в-е зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді лампи 
розжарювання потужністю 100 Вт; 
і) зняти зі стенда джерело перешкоди у вигляді лампи розжарювання 
потужністю 100 Вт і встановити на стенд джерело перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 20 Вт таким чином, щоб на вхідній зіниці приладу 
забезпечувалась освітленість 2500 лк . В іншому встановлення зазначеної лампи 
виконується аналогічно п. б); 
к) повторити пп. в-е зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 20 Вт; 
л) зняти зі стенда джерело перешкоди у вигляді люмінесцентної лампи 
потужністю 20 Вт і встановити на стенд джерело перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 40 Вт. Установлення зазначеної лампи 
виконується аналогічно п. і); 
м)повторити пп. в-е зі встановленим джерелом перешкоди у вигляді 
люмінесцентної лампи потужністю 40 Вт.  
Методика визначення порога чутливості за температурою 
Крім енергетичної порогової чутливості вводиться поняття чутливості за 
параметром, який відстежується параметром, яким для розроблюваного ОЕП двох 
спектральних відношень буде температура. Таким чином, поріг чутливості за 
59 
температурою - це мінімальне значення температури ТОВ досліджуваного об'єкта, що 
має видиму площу АОВ і знаходиться на відстані ІОВ від вхідної зіниці приладу, за 
якого забезпечується задане відношення сигнал/шум, необхідне для надійного 
спрацьовування приладу, наприклад, для забезпечення необхідної ймовірності 
виявлення вогнища загоряння. 
Потік випромінювання від вогнища загоряння на вхідній зіниці ОЕП залежить 
від низки параметрів: його температури, площі, відстані до нього тощо. Еталонним 
джерелом випромінювання, використовуваним для порівняння випромінювачів 
різного виду, є випромінювач у вигляді моделі АЧТ. Площа випромінювальної 
поверхні визначається конструкцією АЧТ, а відстань до вхідної зіниці приладу може 
бути прийнята фіксованою під час експерименту. Таким чином, використання 
джерела випромінювання у вигляді моделі АЧТ дає змогу уникнути прив'язки до 
конкретного вогнища загоряння і використовувати для опису потоку випромінювання 
тільки температуру, що зручно, з практичної точки зору, в лабораторних умовах. 
Для визначення порога чутливості за температурою ОЕП двох спектральних 
відношень у рамках дисертаційної роботи розроблено методику, яка зводиться до 
виконання таких дій: 
а) виконати складання стенда для лабораторних досліджень (див. п. 3.1).  
Складання стенда виконується аналогічно до п. а) методики визначення 
ймовірності виявлення вогнища загоряння за наявності/відсутності зовнішніх 
оптичних перешкод; 
б) вивести зразковий випромінювач АЧТ на нижнє значення діапазону 
температур, що ним відтворюються, - 300 °С. Час виходу випромінювача на задану 
температуру становить 120 хвилин відповідно до технічної документацією ;  
в) для встановленого значення температури здійснити N вимірювань напруг 
на виходах каналів приладу. Згідно з п. 3.2 N становить не менше ніж 20 вимірювань, 
прийнято N = 30. Відповідно до правил обробки прямих багаторазових вимірювань  
для кожної температури визначити середні значення напруг на виходах каналів 1-3U1, 
U2 і U3 які є найкращою оцінкою істинного значення напруги в каналі . 
60 
                         (3.6) 
Де U1i , U2i и U3i - значення напруг у каналах 1-3 в i-му вимірі. 
г) змінюючи температуру зразкового випромінювача в діапазоні 
відтворюваних ним температур від 300 °С до 1100 °С з кроком 10 °С, виконати 
повторення п. в) цієї методики. Крок у 10 °С обрано для спрощення проведення 
експериментальних досліджень. Обраний крок зміни температури дасть змогу 
отримати досить гладку криву, крім того, помилка в 5 градусів за температури 630 °С 
дасть відносну похибку визначення температури менше 1 %, що достатньо для того, 
щоб отримати точно мало для приладів контролю. Таким чином, буде отримано 
набори експериментальних даних 
U1 T1 ,U1 T2 ,…, U1 TN  , U2 T1 ,U2 T2  ,…,U2  TN  , U3 T1 ,U3T2  ,…,U3  
TN  , ; 
д) визначити поріг чутливості за напругою Uпор. Оскільки робочі спектральні 
діапазони каналів приладу різні, і в них використовуються різні фотоприймачі, 
пороги чутливості каналів Ui пор будуть різні. Поріг чутливості приладу Uпор 
визначається найбільшим значенням з порогів чутливості Ui пор окремих каналів. Для 
того щоб визначити пороги чутливості окремих каналів Ui пор виконати серію 
вимірювань напруги на виходах каналів приладу при відсутності сигналу на вхідній 
зіниці приладу, тобто коли струм, що протікає через фотоприймачі, відповідає 
значенню темнового струму ID – U1пор1, U1пор2 ,    , U1порN ,U2пор1,U2пор2 ,    ,U2порN 
, U3пор1,U3пор 2 ,    ,U3порN   
Вимірювання напруг на виходах каналів приладу здійснюється шляхом 
підключення ОЕП до персонального комп'ютера, установкою світлонепроникної 
перегородки перед його вхідною зіницею і фіксацією значень напруг на виходах його 
каналів. 
Далі за результатами проведених вимірювань необхідно визначити середні 
значення напруг у кожному з каналів 
61 
 
де N = 30 - кількість вимірювань у серії. 
Оцінка абсолютної похибки вимірювань порогової чутливості  
Uпорі у кожному з каналів виконується стандартним способом, 
використовуваним при обробці прямих багаторазових вимірювань . Отримані 
значення необхідно збільшити в µ разів, де µ - задане відношення сигнал-шум .  
Таким чином, порогові значення чутливості каналів будуть , 
, і , а порогове значення чутливості приладу за напругою 
Uпор. 
 , ,          (3.7) 
е) визначити канал, для якого температура Ti пір, що відповідає значенню 
напрузі Uпор, матиме найбільше значення. Поріг чутливості приладу за температурою 
для умов експерименту визначатиметься за цим каналом. Очевидно, що значенню 
Uпор відповідатимуть різні значення температур T1пор, T2пор, T3пор, за яких напруги на 
виходах каналів приладу досягають Uпор (рисунок 3.2). Для наведених на рисунку 3.2 
наборів експериментальних даних 
U1 T1 ,U1 T2 ,…, U1 TN  ,U2 T1 ,U2 T2 ,…, U2 TN  ,U3 T1 ,U3 T2 ,…, U3 TN  , 
порогова чутливість за температурою буде визначатися за каналом 3; 
62 
 
Рисунок 3.2 - Залежності напруг на виходах каналів приладу від 
температури випромінювача АЧТ 
 
ж)на основі набору експериментальних даних Uk  T1 ,Uk  T2 , , Uk  TN  , 
отриманого в п. д) цієї методики (k - номер каналу, що визначається в п. ж) 
методики), одержати набір виду Uk  T1 ,Uk  T2 , , Uk  TN  ,, де Фі - це потік 
випромінювання на вхідній зіниці приладу за температури випромінювача Ti. Перехід 
від одного набору даних до іншого виконується з використанням формули (2.7). Цей 
перехід необхідний для того, щоб на наступних кроках методики знайти температуру 
реального вогнища загоряння за заданої видимої площі вогнища загоряння і відстані 
до нього на основі експериментальних даних, отриманих за допомогою 
випромінювача АЧТ; 
з) виконати апроксимацію набору даних Uk  T1 ,Uk  T2 , , Uk  TN  , 
у результаті буде отримано залежність напруги на виході каналу k від потоку 
на вхідній зіниці приладу цього каналу - Uk(Ф); 
і) підставивши значення U = Uпор у функцію Uk(Ф), знайти значення 
енергетичної порогової чутливості Фпор; 
к) визначити температуру вогнища загоряння ТОВ, що відповідає енергетичній 
пороговій чутливості Фпор за видимої площі вогнища загоряння АОВ = 1 м і відстані 
до вхідної зіниці приладу ІОВ = 10 м. При знаходженні температури ТОВ слід 
63 
скористатися формулою (2.7). Отримане значення ТОВ відповідатиме порогу 
чутливості за температурою Тпор для заданих умов роботи приладу (див. п. 2.3.3.1). 
Методика визначення кутового поля 
Оскільки кутове поле випробовуваного приладу має осьовою і центральною 
симетріями, воно виражається «значенням лінійного кута розчину відповідного 
просторового кута» .  
Визначення кутового поля ОЕП виконується на основі експериментальних 
досліджень відповідно до рекомендацій . Методика визначення кутового поля ОЕП 
двох спектральних відношень зводиться до побудови кутової діаграми чутливості на 
основі експериментальних даних і подальшого визначення за нею кутового поля. 
Оскільки оптична система приладу складається з трьох каналів, кожен з яких має 
окрему вхідну зіницю, і відповідно забезпечує власне кутове поле, кутове поле 
приладу визначатиметься накладенням кутових полів його каналів. 
Розроблена методика визначення кутового поля ОЕП двох спектральних 
відношень складається з таких дій: 
а) виконати складання стенда для лабораторних досліджень (див. п. 3.1).  
Складання стенда виконується аналогічно до п. а) методики визначення 
ймовірності виявлення вогнища загоряння за наявності/відсутності зовнішніх 
оптичних перешкод (див. п. 3.2.1). Додатково під час вимірювання кутового поля в 
стенді використовується транспортир (поз. 4 на рисунку 3.1). Оптична вісь приладу 
повинна збігатися з міткою «0 градусів» транспортира;  
б) переміщаючи випромінювач АЧТ по оптичній лаві в напрямку від вхідної 
зіниці приладу, визначити відстань, на якій спостерігається стійке неспрацьовування 
приладу - Ін/с. Оскільки спочатку прилад встановлюється на відстань 0,4 м від вхідної 
зіниці приладу (згідно з п. а) цієї методики), що дає змогу отримати на ньому потік 
випромінювання, який відповідає пороговій енергетичної чутливості приладу, і з 
урахуванням розміру випромінювальної поверхні випромінювача АЧТ 45 мм, 
відстань Ін/с буде щонайменше в 10 разів перевищувати розмір випромінювальної 
поверхні випромінювача АЧТ. Це дасть змогу умовно вважати випромінювач АЧТ 
64 
точковим джерелом  і уникнути похибки в визначенні кутового поля, як якщо б 
джерело випромінювання було протяжним; 
в) переміщати прилад оптичною лавою, зменшуючи відстань від вхідної зіниці 
приладу до джерела випромінювання, доти, доки не станеться спрацьовування 
приладу. Після спрацьовування приладу виміряти відстань lj між приладом і 
джерелом випромінювання. приладом і джерелом випромінювання. З практичних 
міркувань зменшення відстані lj слід виконувати доти, доки lj не стане рівним 5 см. У 
разі lj = 5 см і відсутності сигналу спрацьовування, вважати, що прилад не спрацював; 
г) щоразу встановлюючи прилад на відстані Ін/с від вхідної зіниці приладу, 
виконати серію з N вимірювань за пунктом в) (згідно з п. 3.2N становить не менше 20 
вимірювань, прийнято N = 30) за п. в), за результатами якої розрахувати середню 
відстань l j 
 
де i - номер вимірювання в серії, j - відповідає певному значенню кута αj; 
д) виконати обчислення абсолютної похибки визначення відстані jl 
стандартним способом, використовуваним під час обробки прямих багаторазових 
вимірювань  - значення Іj; 
е) установити прилад на відстані Ін/с від вхідної зіниці приладу і збільшити кут 
αj між міткою транспортира «0 градусів» і оптичною віссю на 1 градус і повторити 
пп. в-д методики. Зміну кута αj на 1 градус обрано виходячи з практичної зручності 
проведення лабораторних експериментів. Якщо при зменшенні відстані lj між 
приладом і джерелом випромінювання спрацьовування приладу не відбулося (див. п. 
в) цієї методики), то далі кут αj збільшувати не слід; 
ж) повторити пп. в-е для від'ємних значень кутів αj; 
з) побудувати за результатами пп. в-ж кутову діаграму чутливості, яка являє 
собою залежність відстані спрацьовування приладу lj від кута між оптичною віссю 
приладу і міткою транспортира «0 градусів» (рисунок 3.3). Нанести на кутову 
діаграму чутливості криві, що відповідають значенням відстаней  lj+Іj і lj-Іj 
65 
 
1 - кутова діаграма чутливості; 2 - крива, побудована для відстані 
lj+Іj ; 3 - крива, побудована для відстані lj-Іj 
 
Рисунок 3.3 - Графічне представлення результатів експериментального 
визначення кутового поля 
 
і) визначити значення кутового поля. Згідно з  кутове поле приладу 
визначається з урахуванням коефіцієнта нестійкості 
 
де lmax - максимальна відстань між приладом і джерелом випромінювання, за 
якої відбувається спрацьовування (кут α = 0°); lmin - мінімальна відстань між приладом 
і джерелом випромінювання під час повороту приладу на кут αmax.  
Прийнявши коефіцієнт нестійкості k = 2 (для найгіршого випадку), відстань 
lmin буде 
 
Таким чином, щоб визначити кутове поле приладу, необхідно провести з 
центру діаграми чутливості коло радіусом, що дорівнює 70 % від максимального 
значення lmax і визначити точки перетину кола з діаграмою чутливості приладу 
(крива 1 на рисунку 3.3). Далі слід провести прямі через центр діаграми та отримані 
точки. Значення кута, утвореного цими прямими, дає значення кутового поля приладу 
2ω; 
66 
к) оцінити похибку визначення кутового поля, для чого за кривими, що 
відповідають відстаням спрацьовування  lj+Іj і lj-Іj  (рисунок 3.3) визначити значення 
кутового поля ω+Δ і ω-Δ , і розрахувати випадкову похибку визначення кутового поля 
як 
 
У цьому випадку визначення кутового поля (п. л. методики) і випадкової 
похибки його визначення графічним способом є допустимим і дозволяє отримати 
необхідні значення з достатньою точністю; 
л)записати абсолютну похибку визначення кутового поля з урахуванням  
похибки встановлення приладу під кутом до оптичної осі и 
                                                (3.8) 
 
 
3.3 Результати дослідження лабораторного зразка оптико-електронного 
приладу двох спектральних відношень 
 
Розроблений стенд для лабораторного дослідження (п. 3.1) і методики 
визначення основних параметрів ОЕП двох спектральних відношень для контролю 
вибухонебезпечної пилогазової атмосфери (п. 3.2) дають змогу перейти до останнього 
етапу лабораторного дослідження приладу - експериментального визначення його 
параметрів. 
Імовірність виявлення вогнища загоряння та ймовірність хибного 
спрацьовування 
У таблиці 3.2 наведено результати серії експериментів із визначення 
ймовірності виявлення вогнища загоряння. Кількість експериментів у серії N обрано 
рівною 100, для того щоб використання формули (3.4) було допустимим. 
 
67 
Таблиця 3.2 - Експериментальні значення ймовірності виявлення вогнища 
загоряння за відсутності оптичних перешкод 
Відношення Кількість Кількість пропусків Ймовірність 
сигнал-шум спрацьовувань загоряння виявлення 
2 70 30 0,70 
3 96 4 0,96 
 
За відношення сигнал-шум μ, що дорівнює двом, необхідне значення 
ймовірності виявлення загоряння 0,95 приладом не досягається (див п. 2.1). Низьке 
значення ймовірності виявлення можна пояснити пульсаціями полум'я пальника. Далі 
з метою підвищення ймовірності виявлення відношення сигнал-шум μ було 
збільшено до трьох, після чого проведено повторну серію дослідів із визначення 
ймовірності виявлення загоряння. У другому випадку ймовірність виявлення склала 
0,96, що відповідає вимогам, поставленим під час розроблення приладу. Імовірність 
виявлення вогнища загоряння в окремому експерименті відповідно до формули (3.4) 
становить 0,92 < p < 0,99 за довірчої ймовірності α = 0,95. 
У таблиці 3.3 показано результати серії проведених експериментів із 
визначення ймовірності помилкового спрацьовування, відношення сигнал-шум μ 
прийнято рівним трьом, кількість експериментів у серії N дорівнює 100. Для ламп 
розжарювання потужністю 60 Вт і 100 Вт імовірність хибного спрацьовування в 
окремому досліді відповідно до формули (3.5) за довірчої ймовірності α = 0,95 
становить 0,01 < p < 0,09. 
Таблиця 3.3 - Експериментальні значення ймовірності помилкового 
спрацьовування 
 Кількість Кількість Імовірність 
Вид джерела перешкоди хибних відсутності помилкового 
спрацьовувань спрацьовувань спрацьовування 
Люмінесцентна лампа (20 Вт) 0 100 0,00 
Люмінесцентна лампа (40 Вт) 0 100 0,00 
Лампа розжарювання (60 Вт) 5 95 0,05 
Лампа розжарювання (100 Вт) 5 95 0,05 
 
68 
Далі було досліджено ймовірність виявлення вогнища загоряння в разі 
наявності зовнішніх перешкод (таблиця 3.4).  
 
Таблиця 3.4 - Експериментальні значення ймовірності виявлення вогнища 
загоряння в присутності зовнішніх оптичних перешкод 
Серия Кількість Кількість пропусків Імовірність 
вимірювань спрацьовувань загоряння виявлення 
1 (перешкода – лампа 95 5 0,95 
розжарювання 60 Вт) 
2 (перешкода – лампа 97 3 0,97 
розжарювання 100Вт) 
 
Як джерело перешкод використовували лампи розжарювання потужністю 60 і 
100 Вт, відношення сигнал-шум μ прийнято рівним 3. Люмінесцентні лампи не 
використовували під час визначення параметрів приладу, оскільки вони не мають 
жодного впливу на ухвалення приладом рішення про присутність/відсутність 
вогнища загоряння. Таким чином, у результаті експериментальних дослідженого 
визначення ймовірності виявлення загоряння в присутності зовнішніх оптичних 
перешкод встановлено відповідність параметрів приладу поставленим вимогам і 
показано можливість його роботи в умовах зовнішніх оптичних засвічень, зокрема, 
ламп розжарювання та люмінесцентних ламп. При цьому значення відношення 
сигнал-шум μ має бути збільшено до трьох. 
Поріг чутливості за температурою 
Для визначення порога чутливості приладу за температурою були знайдені 
значення порогової чутливості каналів приладу за напругою Uпорi які склали для 
каналу з робочою довжиною хвилі 750 нм 19 мВ, для каналу з робочою довжиною 
хвилі 950 нм - 13 мВ, для каналу з робочою довжиною хвилі 1550 нм - 16 мВ. Згідно 
з виразом (3.7) порогу чутливості приладу за напругою Uпор відповідатиме значення 
19 мВ. 
Відповідно до раніше розробленої методики було виконано серія вимірювань 
напруг на виходах каналів приладу U1, U2 і U3 за різних значеннях температури 
зразкового випромінювача T. Отримані набори експериментальних даних  U1 T1 ,U1 
69 
T2 ,…, U1 TN  ,U2 T1 ,U2 T2 ,…, U2 TN  ,U3 T1 ,U3 T2 ,…, U3 TN  ,нанесені на 
координатну сітку (рисунок 3.4). 
З рисунка 3.4 видно, що найбільше значення за напруги, що дорівнює Uпор 
матиме температура Тпор, що відповідає каналу 1 з робочою довжиною хвилі 750 нм. 
Тому відповідно до розробленої методики, поріг чутливості за температурою 
необхідно визначати за цим каналом. У результаті отримано, що поріг чутливості за 
температурою розробленого приладу становить 688 °С за площі осередку загоряння 
АОВ = 1 м2і відстані від вхідної зіниці приладу ІОВ = 10 м (див. п. 2.3.3.1). Таким 
чином, можна стверджувати, що прилад забезпечує дальність дії 10 м за температури 
вогнища загоряння 688 °С і його видимої площі 1 м2.. У разі інших значень 
температури та площі осередку займання дальність дії приладу може бути 
перерахована за виразом (2.7). 
 
 
1 - канал 1 (робоча довжина хвилі 750 нм); 2 - канал 2 (робоча довжина хвилі 
950 нм); 3 - канал 3 (робоча довжина хвилі 1550 нм) 
 
Рисунок 3.4 - Результати вимірювання напруг на виходах каналів 
приладу при різних температурах зразкового випромінювача (відстань до 
випромінювача 0,4 м) 
 
70 
Отримане значення Тпор = 688 °С перевищує необхідне (630 °С) на 58 °С. 
Перевищення порога чутливості за температурою можна пояснити збільшеним 
відношенням сигнал-шум μ до 3 (див. п. 3.3.1) порівняно зі значенням μ = 2, 
прийнятим під час комп'ютерного моделювання. Завищене значення порога 
чутливості за температурою, безумовно, впливає й на інші параметри розробленого 
ОЕП, зокрема на ймовірність виявлення вогнища загоряння та імовірність хибного 
спрацьовування (таблиці 3.2-3.4), тому слід додатково визначити ці параметри в 
умовах, близьких до реальних умов експлуатації приладу. 
Для приладів контролю точність встановлення порога чутливості за 
температурі не має першорядного значення . Таким чином, перебуваючи в більш 
важких умовах роботи, розроблений ОЕП двох спектральних відношень забезпечив 
задовільне значення своїх параметрів. своїх параметрів. 
Кутове поле 
За результатами серії експериментів значення кутового поля становило 10 ± 1 
градусів. На малюнку 3.5 показано кутову діаграму чутливості приладу, що 
демонструє кутові поля всіх трьох каналів. З представленої діаграми видно, що кутове 
поле приладу повністю визначається кутовим полем каналу 3. У цьому каналі 
встановлено фотоприймач ФД «Призма-5», що має розмір чутливого майданчика 5 × 
5 мм. 
 
1 - канал 1 (робоча довжина хвилі 750 нм); 2 - канал 2 (робоча довжина хвилі 
950 нм); 3 - канал 3 (робоча довжина хвилі 1550 нм) 
Рисунок 3.5 - Кутова діаграма чутливості приладу 
 
71 
Отримане значення кутового поля відрізняється від розрахункового значення 
(2ω = 19,20 градусів), отриманого за результатами попередньо проведеного 
геометричного моделювання оптичної системи (див. п. 2.3.3.3). Розбіжність 
розрахункового й отриманого на практиці значень можна пояснити тим, що під час 
розрахунках було прийнято, що у всіх каналах приладу встановлено однакові 
фотоприймачі з розміром чутливої площадки, що дорівнює 10×10 мм, а насправді, в 
одному з каналів приладу використовували фотоприймач із розміром чутливої 
площадки 5×5 мм. Крім того, кутове поле кожного каналу 2ω1 (за розміру чутливого 
майданчика 10×10 мм) за розрахунками становить 19,26 градусів, а на практиці 
виявилося рівним 17 градусам.  
Згідно з проведеним моделюванням оптичної системи ОЕП двох спектральних 
відношень (див. п. 2.3.3.3.3), кутове поле приладу визначається розмірами чутливих 
майданчиків використовуваних у приладі фотоприймачів і значенням фокусної 
відстані об'єктивів, що використовуються в приладі. При цьому чим меншу фокусну 
відстань мають об'єктиви, тим більше кутове поле Цей факт використовували під час 
розроблення ОЕП двох спектральних відношень, і для приладу було обрано об'єктиви 
з найменшою можливою фокусною відстанню. фокусною відстанню. Розміри 
чутливих майданчиків фотоприймачів, використовуваних у приладі, можуть бути 
різні. Тому далі було проведено додаткове дослідження кутового поля приладу, в 
якому в каналах встановлювали фотоприймачі з різним розміром чутливої площадки. 
Спочатку було виконано визначення кутового поля за розміру чутливої 
площадки фотоприймачів, що дорівнює 10×10 мм (рисунок 3.6). Якщо прийняти 
кутове поле, що забезпечується кожним каналом, рівним 17 градусів, то відповідно 
до формул, отриманих у п. 2.3.3.3, кутове поле, що забезпечується оптичною 
системою приладу, має становити 16,94 градуса. За результатами проведених 
експериментів кутове поле має значення 13 градусів (рисунок 3.6), що також значно 
відрізняється від розрахункового значення.  
У результаті кутове поле, що забезпечується кожним каналом, становить 9 
градусів (розрахункове значення - 9,57 градусів). Кутове поле, що забезпечується 
приладом, становить 6 ± 1 градус (розрахункове значення - 8,94 градусів). 
72 
Проведене експериментальне дослідження кутового поля ОЕП двох 
спектральних відношень дає змогу зробити висновок, що відмінність між теоретично 
розрахованим і практично отриманим значеннями кутового поля є значною і 
становить понад 30 % (якщо всі фотоприймачі мають розмір чутливої площадки 5×5 
мм). Невідповідність отриманого в ході експериментального визначення і теоретично 
розрахованого значення можна пояснити неточним розташуванням вхідних зіниць 
оптичної системи та низькою чутливістю фотоприймачів на краях чутливої 
площадки. 
 
1 - канал 1 (робоча довжина хвилі 750 нм); 2 - канал 2 (робоча довжина хвилі 950 нм); 3 - 
канал 3 (робоча довжина хвилі 1550 нм) 
 
Рисунок 3.6 - Діаграма чутливості приладу (усі фотоприймачі мають 
розмір чутливої площадки 10×10 мм) 
На рисунку 3.7 наведено результати експериментального визначення кутового 
поля для випадку, коли в усі канали приладу встановлено однакові фотоприймачі з 
розміром чутливої площадки рівним 5×5 мм. 
73 
 
1 - канал 1 (робоча довжина хвилі 750 нм); 2 - канал 2 (робоча довжина хвилі 950 нм); 3 - 
канал 3 (робоча довжина хвилі 1550 нм) 
 
Рисунок 3.7 - Діаграма чутливості приладу (усі фотоприймачі мають 
розмір чутливої площадки 5×5 мм) 
 
Отримане експериментальне значення кутового поля ОЕП двох спектральних 
відношень 10 ± 1 градусів (див. рисунок 3.5) є дещо меншим, ніж це закладено у 
вимогах до приладу. Проте отримане значення можна порівняти з кутовим полем 
інших ОЕП виявлення початкової стадії загоряння , значення якого лежить у діапазоні 
8-23 градуси. Збільшення кутового поля розробленого ОЕП двох спектральних 
відношень можливе у разі використання фотоприймачів із більшою площею чутливої 
площадки або іншого виду об'єктивів для каналів приладу. Вибір фотоприймачів, що 
мають спектральну чутливість у заданих спектральних діапазонах з більшою площею 
чутливої площадки обмежений їхніми виробниками. Під час проєктування приладу 
використовували фотоприймачі з максимально великою площею чутливого 
майданчика з тих, що випускаються нині. Використання іншого виду об'єктивів, 
зокрема об'єктивів із кількома лінзами, призведе до зменшення потоку 
випромінювання, що надходить на фотоприймачі внаслідок його ослаблення під час 
проходження через оптичну систему, що, своєю чергою, призведе до збільшення 
порогової чутливості приладу, що неприпустимо. 
 
 
74 
Висновок до розділу 3 
 
У третьому розділі роботи виконано моделювання та розроблення 
експериментального зразка системи контролю концентрації вибухонебезпечної 
пилогазової компоненти атмосфери. Основні результати розділу: 
1. Створено математичну модель системи, яка описує взаємодію випромінювання 
з компонентами пилогазової атмосфери. Модель враховує: 
o Поглинання та розсіювання випромінювання частинками пилу; 
o Вплив спектральних характеристик газових компонентів атмосфери; 
o Наявність зовнішніх оптичних перешкод. 
2. Розроблено прототип оптико-електронного приладу, який базується на 
багатоканальному аналізі спектральних відношень. Випромінювання, що 
проходить через атмосферу, аналізується за допомогою фотоприймачів, 
оснащених спектральними фільтрами. 
3. Проведено енергетичний розрахунок оптичної системи для визначення 
оптимальних параметрів, таких як кутове поле огляду, зона виявлення та 
ефективність роботи в умовах запиленості та високої вологості. 
4. Визначено оптимальні робочі спектральні діапазони для мінімізації впливу 
оптичних перешкод і підвищення точності вимірювань у динамічно змінному 
середовищі. 
5. Розроблено алгоритм обробки даних, що включає: 
o Фільтрацію сигналів для усунення шумів і перешкод; 
o Використання співвідношення інтенсивностей у різних спектральних 
діапазонах для виявлення вибухонебезпечних концентрацій компонентів 
атмосфери. 
6. Виконано тестування моделі та прототипу в умовах імітації промислового 
середовища. Отримані результати підтвердили ефективність розробленого 
підходу до виявлення небезпечних концентрацій пилогазових компонентів. 
  
75 
РОЗДІЛ 4 
 ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ БЛИЗЬКИХ ДО 
РЕАЛЬНИХ 
 
Проведене дослідження ОЕП двох спектральних відношень у лабораторних 
умовах показало правильність теоретичних положень, закладених у його роботу, і 
дало змогу визначити його основні технічні параметри - ймовірність виявлення 
вогнища загоряння та ймовірність хибного спрацьовування за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод, поріг чутливості за 
температурою та кутовим полем. температурі та кутове поле. Але лабораторне 
дослідження не дало змоги визначити час виявлення вогнища загоряння приладом. 
Крім того, лабораторне визначення параметрів приладу проводилося без урахування 
низки чинників, зокрема, не враховувалася нестаціонарність полум'я реального 
осередку загоряння. Тому проведено визначення часу виявлення вогнища загоряння 
розробленого приладу в умовах, наближених до реальних умов експлуатації, і 
перевірено здатність приладу до виявлення реальних швидкоплинних загорянь на 
ранній стадії, для чого визначено ймовірність виявлення вогнища загоряння за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод для реального джерела 
загоряння. 
У літературі описується низка експериментальних установок для вивчення 
вибухів у вугільних шахтах. Такими установками є експериментальна установка для 
дослідження параметрів ОЕП для виявлення вибуху . Остання з перерахованих 
установок розроблена і використовується на кафедрі методів і засобів вимірювань та 
автоматизації Бійського технологічного інституту. Установка являє собою реакційну 
посудину, що розташовується вертикально і має довжину 2 м і внутрішній діаметр 0,5 
м (рисунок 4.1). 
76 
 
1 - реакційна посудина; 2 - кришка для встановлення досліджуваного ОЕП; 
 3 - патрубок для впуску пилу; 4 - патрубок для впуску газу; 5 - вісім 
патрубків для встановлення вимірювальних датчиків; 6 - вікна для скидання тиску; 7 
- патрубок для введення палія; 8 - двадцять п'ять патрубків для фотоприймачів 
для виявлення вибуху: а - тривимірна модель; б – фотографія 
 
Рисунок 4.1 - Експериментальна установка для дослідження параметрів 
ОЕП 
 
Подача газу, горючого пилу і введення палія здійснюється через патрубки 3, 4 
і 7, розташовані в корпусі посудини. У конструкції посудини передбачено вікна 
скидання надлишкового тиску 6 зі встановленими запобіжними мембранами, 
наявність яких запобігає руйнуванню реакційної посудини під час вибуху. 
Досліджуваний ОЕП встановлюють у порожнину кришки реакційної посудини 2, при 
цьому об'єктив спрямовується в бік дна реакційної посудини. Для контролю 
параметрів вибуху газопилеповітряної суміші в конструкції посудини передбачено 
патрубки 5 для введення вимірювальних датчиків, патрубки розташовані вздовж по 
висоті посудини 
77 
Фотографію розробленого ОЕП двох спектральних відношень для контролю 
вибухонебезпечної пилогазової атмосфери, що використовувався під час 
експериментів, показано на рисунку 4.2. 
 
 
Рисунок 4.2 - Фотографія розробленого ОЕП двох спектральних 
відношень для контролю вибухонебезпечної пилогазової атмосфери 
 
Автоматизована система керування установкою для дослідження параметрів 
ОЕП виявлення вибухів газопилеповітряних сумішей (рисунок 4.3) виконана на 
основі крейтової системи збору даних LTR-U-1, що випускається компанією ТОВ «Л-
Кард» . На ноутбук автоматизованої системи управління експериментальною 
установкою встановлюють спеціальний програмний комплекс LGraph2. Дане 
програмне забезпечення являє собою програму самописець-візуалізатор, що працює 
в операційних системах сімейства Windows або Linux. Основні функції програми 
полягають у зборі та візуалізації (як у реальному часі, так і в записі) даних з АЦП 
LTR-11, їх збереження та експорт у різних форматах. Автоматизований запуск 
експерименту (підпалювання горючої суміші в реакційній посудині) і синхронізація 
всіх блоків системи здійснюється програмованим логічним контролером ПЛК 150-
АМ. У ПЛК 150-АМ записується спеціально розроблене програмне забезпечення для 
виконання зазначених функцій. 
78 
 
Рисунок 4.3 - Структурна схема автоматизованої системи керування 
експериментальною установкою для дослідження параметрів ОЕП для 
виявлення вибуху . 
 
Для описуваної установки розроблено методику проведення 
експериментальних вибухів газопилеповітряних сумішей і проведено випробування з 
визначення оптимальних параметрів, що забезпечують ефективний розвиток 
вибухового горіння :  
- концентрація горючого газу (пропан) - 5,0-5,5%; 
- концентрація вугільного пилу - 35-45 г/м3. 
Таким чином, для того щоб виконати експериментальне дослідження ОЕП 
двох спектральних відношень в умовах близьких до реальних достатньо розробити 
відповідні методики визначення його параметрів на базі методики роботи з 
експериментальною установкою для дослідження параметрів ОЕП для виявлення 
вибуху та виконати випробування за ними. Узагальнена методика проведення 
експериментальних вибухів на установці, наведена в джерелах , полягає у виконанні 
таких дій: 
79 
а) встановити основу експериментальної установки на рівній горизонтальній 
поверхні та виконати її складання відповідно до технічних вимог, наведених у ; 
б) встановити у верхню кришку реакційної посудини 2 досліджуваний ОЕП; 
в) встановити джерело займання у вигляді електрозапалювача (або 
феєрверкового електрозапальника) у нижній частині реакційної посудини. Джерело 
займання має перебувати в кутовому полі досліджуваного ОЕП; 
г) установити в патрубки для установлення вимірювальних датчиків 5 
(рисунок 4.1, а) необхідні датчики, підключити до встановлених датчиків відповідні 
лінії автоматизованої вимірювальної системи установки. Кількість датчиків і їхній 
вид визначається проведеним експериментом; 
д) через патрубок 4 заповнити реакційну посудину 1 (рисунок 4.1, а) пропан-
бутановою сумішшю в об'ємі (14 ± 0,5) літрів  і зробити витримку в 1-2 хвилини для 
рівномірного перемішування пропан-бутанової суміші з повітрям. Витрата газу 
здійснюється датчиком витрати; 
е) запустити встановлене на комп'ютері автоматизованої системи керування 
(рисунок 4.3) програмне забезпечення для реєстрації вимірювальної інформації; 
ж) подати сигнал для увімкнення джерела займання з комп'ютера 
автоматизованої системи керування; 
з) після здійснення вибуху в експериментальній установці зупинити запис 
вимірювальної інформації на комп'ютері автоматизованої системи керування; 
і) виконати аналіз та обробку отриманих експериментальних даних.  
З метою забезпечення вимог пожежної безпеки, усі роботи з розробленою 
експериментальною установкою слід проводити на спеціальному полігоні або в 
спеціальному приміщенні .  
 
 
 
 
 
 
80 
4.1 Методики експериментального визначення параметрів системи в 
умовах близьких до реальних 
 
Виходячи з особливостей експлуатації розробленого приладу в умовах 
пилогазової атмосфери та можливої присутності зовнішніх оптичних засвічень, 
велике значення має ймовірність виявлення вогнища загоряння приладом за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод і час виявлення вогнища 
загоряння. Імовірність виявлення вогнища загоряння була раніше досліджена раніше 
в лабораторних умовах. Але, незважаючи на це, слід перевірити зазначений параметр 
ще раз, але вже при нестаціонарному джерелі загоряння. 
Методика визначення ймовірності виявлення вогнища загоряння за 
відсутності/присутності оптичних перешкод 
Для визначення ймовірності виявлення вогнища загоряння за 
відсутності/присутності оптичних перешкод на базі експериментальної установки для 
дослідження параметрів ОЕП для виявлення вибуху розроблено методику, що 
включає таку послідовність дій: 
а) виконати складання експериментальної установки, встановити 
досліджуваний ОЕП і джерело займання відповідно до узагальненої методики 
проведення експериментальних вибухів (див. п. 4.1). Жодні додаткові датчики під час 
проведення експерименту не використовуються, патрубки 5 закриваються 
спеціальними заглушками; 
б) виконати серію з 30 експериментів, кількість експериментів N1 = 30 обрано 
виходячи з того, щоб під час обробки експериментальних даних було коректним 
використання формули (3.4). У кожному проведеному експерименті виконується 
заповнення реакційної посудини пропан-бутановою сумішшю, ініціюється підпал 
суміші та фіксується спрацьовування приладу або пропуск загоряння за допомогою 
комп'ютерної програми управління експериментальною установкою. Виконується 
реєстрація таких сигналів: сигнали каналів приладу 1-3 і сигнал активації пристрою 
вибухозаглушення; 
81 
в) розрахувати ймовірність виявлення вогнища загоряння на основі отриманих 
експериментальних даних за формулою (3.3), ймовірність виявлення вогнища 
загоряння в кожному окремому експерименті обчислити за формулою (3.4); 
г) в один із патрубків установки 5, призначений для введення вимірювальних 
датчиків, помістити джерело оптичної перешкоди - лампу розжарювання Р3,75-1+0,5 
із шахтарського світильника СГГ.5М.05; 
д) виконати серію з 30 експериментів (N2 = 30) та їхнє опрацювання аналогічно 
пп. б-в наведеної методики. 
Методика визначення часу виявлення вогнища загоряння 
Час виявлення вогнища загоряння розробленим приладом, так само, як і будь-
яким іншим ОЕП виявлення осередку загоряння, визначатиметься часом 
спрацьовування приладу в разі появи в його кутовому полі осередку загоряння. 
Момент появи вогнища загоряння можна вибрати кількома способами: 
1) момент появи вогнища загоряння відповідає моменту підпалу 
газоповітряної суміші; 
2) момент появи вогнища загоряння визначається додатковими технічними 
засобами, що працюють незалежно від приладу і фіксують момент досягнення 
вогнища загоряння таких параметрів (температура ТОВ, видима площа АОВ і відстань 
до вхідної зіниці приладу ІОВ), за яких потік, створюваний ним на вхідній зіниці 
приладу, відповідатиме енергетичній пороговій чутливості приладу Фпор (див. п. 
3.3.2). 
Перший із наведених способів досить просто реалізується, але його практичне 
використання дає надто велику похибку при визначенні часу виявлення вогнища 
загоряння. Як правило, ОЕП налаштовується на виявлення вогнища загоряння з 
певними параметрами. Параметри вогнища загоряння (температура, видима площа та 
відстань до нього) визначають за допомогою струм випромінювання на вхідній зіниці 
приладу. З розвитком вогнища загоряння в деякий момент часу потік випромінювання 
на вхідній зіниці приладу відповідатиме енергетичній пороговій чутливості приладу 
Фпор. 
82 
При цьому з моменту підпалу до моменту, коли потік випромінювання на 
вхідній зіниці приладу стане рівним Фпор, може виявитися значним.  
Тому коректніше використовувати другий із запропонованих способів. На 
практиці цей спосіб реалізується під'єднанням до входів блока АЦП досліджуваного 
ОЕП (див. рисунок 2.2) модуля аналого-цифрового перетворення крейтової системи 
збирання даних LTR-U-1, використовуваної в експериментальній установці. Таким 
чином, для визначення моменту появи в полі зору приладу вогнища загоряння з 
необхідними параметрами використовуються фотоприймачі самого приладу. Як 
тільки сигнали на виходах фотоприймачів перевищать значення порогової чутливості 
за напругою Uпор, можна стверджувати, що для приладу в даний момент часу в його 
кутовому полі зору присутнє вогнище загоряння із заданими параметрами. 
Розроблена в межах дисертаційної роботи методика визначення часу 
виявлення вогнища загоряння ОЕП двох спектральних відношень складається з таких 
дій: 
а) виконати складання експериментальної установки, встановити 
досліджуваний ОЕП і джерело займання відповідно до узагальненої методики 
проведення експериментальних вибухів (див. п. 4.1). Жодні додаткові датчики під час 
проведення експерименту не використовуються, патрубки 5 закриваються 
спеціальними заглушками; 
б) виконати серію не менше ніж із 20 експериментів (див. п. 3.2). У кожному 
проведеному експерименті виконується заповнення реакційної посудини пропан-
бутановою сумішшю, ініціюється підпал суміші та за допомогою комп'ютерної 
програми керування експериментальною установкою реєструються сигнали модуля 
АЦП крейтової системи збору даних LTR-U-1, використовуваної в 
експериментальній установці. Виконується реєстрація таких сигналів: сигнали 
каналів приладу 1-3 і сигнал активації пристрою вибухозаглушення; 
в) за результатами серії експериментів визначити моменти часу t1 і t2. Момент 
часу t1 відповідає появі вогнища з необхідними параметрами і визначається 
найбільшим значенням порогової чутливості каналів приладу. Як тільки рівень 
сигналу перевищить найбільше значення порогової чутливості, можна стверджувати, 
83 
що осередок загоряння присутній у полі зору приладу.Значення рівня амплітуди 0,9 
для визначення моменту часу t2 вибрано, оскільки воно є типовим рівнем для 
визначення часу наростання сигналу . 
На рисунку 4.4 результати серії експериментів подано в графічному вигляді. 
Згідно з розробленою методикою момент часу t1 визначається за кривою 3. 
 
1, 2, 3 - сигнали каналів приладу; 4 - сигнал активації пристрою 
вибухозаглушення 
Рисунок 4.4 - До визначення часу виявлення вогнища загоряння 
 
г) виконати визначення часу виявлення вогнища загоряння приладом  
за результатами серій проведених експериментів. У кожному конкретному 
експерименті серії вимірювань час виявлення вогнища загоряння визначається як 
різниця 
 
д) виконати обробку отриманих значень часу виявлення осередку загоряння 
стандартним способом, використовуваним під час обробки непрямих багаторазових 
84 
вимірювань з урахуванням правил підсумовування похибок  для того щоб визначити 
час виявлення вогнища загоряння за проведеною серією вимірювань.  
 
 
4.2 Результати визначення параметрів оптико-електронного приладу 
двох спектральних відношень для контролю вибухонебезпечної пилогазової 
атмосфери в умовах близьких до реальних 
 
Оскільки проведення випробувань в умовах наближених до реальних є 
трудомістким і пов'язане з великими фінансовими витратами, пов'язаними, зокрема, 
з підготовкою горючої газопилоповітряної суміші, вибух якої здійснюється в 
кожному конкретному експерименті, для мінімізації кількості експериментів 
ухвалено рішення виконувати одночасне визначення часу виявлення вогнища 
загоряння та ймовірності виявлення вогнища загоряння за відсутності/присутності 
оптичних перешкод. 
Випробування ОЕП двох спектральних відношень в умовах близьких до 
реальних виконували за таких умов: 
- температура навколишнього повітря - від 12 до 16 °C; 
- відносна вологість - 67 %; 
- атмосферний тиск - 742 мм рт. ст. 
Для забезпечення безпеки проведення визначення параметрів розробленого 
ОЕП усі експерименти проводилися за містом на відстані від місць, де можлива поява 
сторонніх осіб. Усі лінії зв'язку установки мають довжину, що дає змогу досліднику 
перебувати на безпечній відстані від установки під час проведення експериментів. 
Для живлення компонентів експериментальної установки як незалежне джерело 
енергії використовували бензогенератор. 
У таблиці 4.1 наведено отримані за результатами серії експериментів значення 
ймовірностей виявлення вогнища загоряння за відсутності/присутності зовнішніх 
оптичних перешкод. Відповідно до розробленої методики (п. 4.1.1) як оптичну 
85 
перешкоду використовували лампу розжарювання Р3,75-1+0,5 із шахтарського 
світильника СГГ.5М.05. 
 
Таблиця 4.1 - Імовірності виявлення вогнища загоряння за 
відсутності/присутності зовнішніх оптичних перешкод, визначена в умовах, близьких 
до реальних 
Серія Оптична Ймовірність Ймовірність виявлення 
експериментів перешкода виявлення в окремому експерименті* 
N1 = 30 Відсутня 0,95 0,9 < p < 1,0 
N2 = 30 Лампа 0,95 0,9 < p < 1,0 
розжарювання 
Р3,75-1+0,5 
 
При довірчій імовірності α = 0,95. 
Сигнали каналів приладу та сигнал активації пристрою вибухозаглушення 
отримані в результаті одного з експериментів, показані на рисунку 4.5. З наведеного 
рисунка видно, що з плином часу, у міру розвитку вогнища, загоряння відбувається 
наростання сигналів на виходах усіх каналів. Згідно з розробленою методикою (див. 
п. 4.1.2) визначення часу виявлення вогнища загоряння слід виконувати за 
експериментальними даними каналу 1.  
За результатами проведеної серії експериментів значення часу виявлення 
вогнища загоряння становить 2,9 ± 0,7 мс за довірчої ймовірності   α = 0,95 
86 
 
1 - канал 1 (робоча довжина хвилі 750 нм); 
2 - канал 2 (робоча довжина хвилі 950 нм); 
3 - канал 3 (робоча довжина хвилі 1550 нм); 4 - сигнал активації 
 
Рисунок 4.5 - Сигнали каналів приладу та сигнал активації пристрою 
вибухозаглушення 
 
Проведені експериментальні дослідження ОЕП двох спектральних відношень 
для виявлення вогнищ загоряння на ранній стадії в умовах, близьких до реальних, 
показали, що цей прилад задовольняє вимогам щодо ймовірності виявлення вогнища 
загоряння як за відсутності зовнішніх оптичних перешкод, так і в їх присутності. Час 
виявлення вогнища загоряння приладом також відповідає вимогам. Таким чином, 
розроблений прилад може використовуватися на різних промислових підприємствах, 
що мають вибухонебезпечну пилогазову атмосферу, у складі автоматичних систем 
виявлення і локалізації загоряння. 
 
 
 
87 
Висновок до розділу 4 
 
У четвертому розділі роботи було проведено експериментальне тестування 
розробленої системи контролю концентрації вибухонебезпечної пилогазової 
компоненти атмосфери. Основними результатами цього розділу є: 
1. Тестування експериментального зразка системи в умовах, наближених до 
реальних виробничих. Проведено серію випробувань на лабораторному 
стенді, що імітує умови вибухонебезпечної атмосфери з різними 
концентраціями газів і пилу. 
2. Оцінка точності та швидкодії системи: 
o Система продемонструвала здатність виявляти небезпечні концентрації 
компонентів атмосфери (метану, вугільного пилу) на ранніх стадіях 
розвитку загоряння з високою точністю; 
o Час виявлення загоряння склав не більше 3 мс, що відповідає вимогам 
нормативних документів для таких систем. 
3. Вивчення впливу зовнішніх оптичних завад (освітлення, нагріті поверхні, 
пилові частинки) на ефективність роботи системи. Результати показали, що за 
правильного вибору спектральних діапазонів і використання методів 
фільтрації, система здатна забезпечити високу надійність у таких умовах. 
4. Порівняння з існуючими аналогами: 
o Розроблена система показала значні переваги щодо швидкості реагування 
та точності порівняно з традиційними методами контролю, такими як 
газоаналітичні датчики та теплові сенсори; 
o Оцінка надійності системи показала, що ймовірність правильного 
виявлення загоряння при наявності зовнішніх перешкод становить понад 
95%, що відповідає нормативним вимогам. 
5. Розробка рекомендацій для промислового застосування: На основі 
проведених тестувань визначено оптимальні умови експлуатації приладу в 
промислових середовищах, зокрема вугільних шахтах і нафтогазових 
підприємствах, де концентрації пилу та газу можуть змінюватися динамічно. 
88 
Таким чином, експериментальне тестування підтвердило високу ефективність 
і надійність розробленої системи. Вона здатна вчасно виявляти загрози вибуху в 
складних умовах, що робить її перспективною для впровадження в промисловість для 
забезпечення безпеки на підприємствах з вибухонебезпечними атмосферними 
умовами. 
 
  
89 
ВИСНОВКИ 
 
 
У процесі виконання роботи було розроблено систему контролю концентрації 
вибухонебезпечної пилогазової компоненти атмосфери, яка забезпечує високоточний 
та швидкий моніторинг небезпечних концентрацій газів і пилу в умовах промислових 
підприємств. Розроблена система базується на оптико-електронних приладах, що 
використовують методи спектрального аналізу для виявлення вогнищ загоряння та 
контролю концентрацій небезпечних компонентів атмосфери. 
Основні результати дослідження: 
1. Теоретичні основи системи: У першому розділі роботи було проведено аналіз 
існуючих методів і засобів контролю вибухонебезпечних пилогазових 
компонентів атмосфери. Це дозволило визначити ключові фізичні параметри, 
які мають бути враховані при розробці системи контролю, а також виявити 
основні обмеження існуючих приладів. 
2. Розробка теоретичних принципів і технічних рішень: У другому розділі 
були визначені основні технічні вимоги до системи контролю, включаючи 
чутливість, швидкодію та здатність працювати в умовах запиленості і наявності 
оптичних перешкод. Розроблено математичну модель і структурну схему 
оптико-електронного приладу, що забезпечує ефективне виявлення вогнищ 
загоряння. 
3. Моделювання та експериментальна реалізація: Третій розділ роботи 
включав розробку прототипу системи, який було випробувано в лабораторних 
умовах. Моделювання та тестування показали, що система здатна точно 
виявляти вибухонебезпечні концентрації компонентів атмосфери з високою 
швидкодією (менше ніж 5 мс) навіть за наявності зовнішніх оптичних завад. 
4. Експериментальні дослідження: Четвертий розділ охоплює проведення 
експериментів у реальних умовах, що підтвердило ефективність розробленої 
системи в умовах промислових підприємств. Система продемонструвала 
високу точність виявлення вогнищ загоряння і значно перевершила існуючі 
90 
аналоги за швидкістю реагування та здатністю працювати в умовах 
запиленості. 
5. Перспективи впровадження: Розроблена система контролю має високий 
потенціал для впровадження в різних галузях промисловості, таких як 
гірничодобувна, нафтовидобувна та хімічна промисловість, де наявність 
вибухонебезпечної пилогазової атмосфери створює високий ризик аварій. 
Таким чином, проведене дослідження підтвердило доцільність і ефективність 
запропонованого підходу до контролю вибухонебезпечної пилогазової атмосфери. 
Розроблена система є надійним засобом для запобігання аваріям на промислових 
підприємствах, забезпечуючи високий рівень безпеки та своєчасне виявлення загроз.