Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Mitronik
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Układ pomiarowy - światła pochłoniętego (np przez dym)

b4mbus 06 Maj 2018 21:57 693 11
  • #1 06 Maj 2018 21:57
    b4mbus
    Poziom 9  

    Witam, potrzebuję wykonać urządzenie pomiarowe, na bazie nadajnik - odbiornik - światła pochłoniętego np. przez dym. Coś na zasadzie czujki liniowej dymu jednak z możliwością zapisania stanu w pliku tak by wykonać wykres, lub podglądu stanu rzeczywistego na komputerze.

    Kiedyś (za czasów studiów) pracowałem z takim urządzeniem - teraz potrzebne mi takie do badań.
    Było to urządzenie zrobione domowym sposobem przez studenta na potrzeby zajęć. Opierało się na "magicznej skrzyneczce" która była skomunikowana z komputerem za pomocą konwertera ADAM4561.

    Układ nadajnik odbiornik były od siebie oddalone o 1m, kalibracja tych urządzeń polegała na ustawieniu 3 śrubeczkami (3 osie) tak by nadajnik celował w sam środek odbiornika - takie ustawienie pokazywało na ekranie komputera 10V - czyli przejrzystość 100%. Kiedy pojawiał się dym, lub gdy przesłonięto wiązkę światła przesłoną testową wartość napięcia spadała aż do 0V - to było jednoznaczne z brakiem widoczności.

    Chciałem do tego wykorzystać np. Arduino przy zapisywaniu danych na kartę pamięci jak i odczycie na komputerze.

    Czy mogę liczyć na jakiekolwiek wskazówki i pomoc ?

    0 11
  • Mitronik
  • #2 06 Maj 2018 23:14
    rb401
    Poziom 34  

    b4mbus napisał:
    Układ nadajnik odbiornik były od siebie oddalone o 1m


    Jak chodzi o odbiornik, to na tą chwilę, moim zdaniem prosto i dokładnie jest oprzeć go na powszechnie dostępnych czujnikach oświetlenia z wbudowanym ADC i wyjściem cyfrowym, na przykład pierwszy z brzegu TSL2561 (choć jest tego dużo do wyboru). W samodzielną analogówkę, raczej nie ma sensu się bawić.

    Co do nadajnika to jest większe wyzwanie, bo jeśli chcesz bazować na nieznacznych zmianach przepuszczalności światła, to musi być stabilne by nie pogorszyć dokładności którą zapewnia detektor. Czyli jakiś LED ale ze stabilizacją parametrów pracy, co najmniej prądu i jeszcze lepiej także temperatury (i okresowo kalibrowany).
    No i kwestia wyboru długości fali. Stosując jako detektor czuły na światło widzialne, jest pewien wybór, ale w obecności takich zjawisk jak rozpraszanie Tyndalla, którego można się spodziewać w dymie, wyniki będą zależały także od przyjętego zakresu długości fali światła.

    1
  • #3 07 Maj 2018 06:53
    b4mbus
    Poziom 9  

    Nie przejmuje się temperaturą dymu czy otoczenia, testy przeprowadzane są z użyciem wytwornicy dymu, której dym ogrzewany jest przez spalanie spirytusu. Temperatura dymu zmienia się nieznacznie i nie występują warunki takie jak w pożarze.

    Chociaż układ, na którym pracowałem przy spalaniu np. bardzo dymotwórczych substancji i smolistych działał bez zarzutu - po przewietrzeniu pomieszczenia wszystkie czujniki wskazywały 10V.

    Muszę przeszukać stary dysk ale to po pracy dopiero. Może mam tam jakieś informacje.

    Z tego co pamiętam to nadajnik emitował światło w kolorze czerwonym... więc może dioda laserowa o długości światła jakieś 650nm lub coś koło tego ? Patrząc na kartę katalogową TSL2561 to 650nm jest chyba najlepszym rozwiązaniem.

    0
  • #4 07 Maj 2018 13:59
    rb401
    Poziom 34  

    b4mbus napisał:
    Nie przejmuje się temperaturą dymu czy otoczenia, testy przeprowadzane są z użyciem wytwornicy dymu, której dym ogrzewany jest przez spalanie spirytusu. Temperatura dymu zmienia się nieznacznie i nie występują warunki takie jak w pożarze.


    Najistotniejsze jest określenie jakiego przedziału wartości pomiarowych i jakiego rzędu dokładności oczekujesz. Bo to dopiero określi czy trzeba się przejmować takimi różnymi zjawiskami jak zależność mocy światła LED od jej temperatury, zmianą długości fali od temperatury itp. parametrami, które albo trzeba uwzględnić czy skompensować, albo uznać za pomijalnie małe. Ale tu już Ty rozstrzygasz.

    Nie poruszam też sprawy ogólnej budowy urządzenia, toru optycznego, sposobu odcięcia światła zewnętrznego itp. itd. bo to osobny całkiem temat.



    b4mbus napisał:
    Z tego co pamiętam to nadajnik emitował światło w kolorze czerwonym... więc może dioda laserowa o długości światła jakieś 650nm lub coś koło tego ? Patrząc na kartę katalogową TSL2561 to 650nm jest chyba najlepszym rozwiązaniem.


    Tak się składa że ten akurat czujnik (i parę jego odpowiedników) ma bardzo przydatną dla Twoich celów cechę, której nie mają czujniki fotometryczne nowszych generacji. Chodzi o to że TSL normalnie służy do pomiarów fotometrycznych (czyli wrażenia wzrokowego), ale tak naprawdę zawiera w sobie dwa radiometryczne czujniki o różnym paśmie (widzialne+IR i samo IR). I co się bardzo dobrze składa, wartości pomiarowe tych kanałów są dostępne z zewnątrz do odczytu (są dopiero przeliczane na luksy algorytmem w bibliotece programowej do czujnika).

    Czyli podłączając np. do Arduino i korzystając z biblioteki do TSL, nie interesuje nas wyliczona wartość fotometryczna (bo może wprowadzać niepotrzebne niedokładności), tylko wartość raw z rejestrów ADC (większość bibliotek też ją udostępnia, zresztą nie ma problemu ją sobie przeczytać), która wprost jest tym co potrzebne w tych pomiarach. Zapamiętujesz tylko wartość z kanału widzialne+IR przy czystym powietrzu jako 100%, a późniejsze pomiary wyliczasz jako wartość względną.

    Uwzględniając to, że pomiar jest 16bitowy, widać tutaj że uzyskanie rozdzielczości pomiaru rzędu 0,01% od strony odbiornika nie jest problemem (oczywiście dobierając optymalnie zakres pomiarowy TSLa, czyli wzmocnienie i czas integratora, do wartość mocy światła na czujniku).


    Co do użycia lasera, to z jednej strony jest bardzo atrakcyjny bo kompleksowo załatwia sprawę optyki od strony nadawczej i uzyskanie na czujniku wystarczającej mocy bez specjalnej optyki.
    Tak że w takim wypadku pozostaje tylko od strony odbiorczej wystarczy rozwiązać ochronę przed ewentualnym światłem z zewnątrz (nawet w formie prostych przesłon).
    Ale z drugiej strony, tanie lasery nie posiadają stabilizacji mocy promieniowania i dość duże dryfty tej mocy np. od temperatury. Większe niż diody LED. Dlatego tak jest ważna tu kwestia oczekiwanej dokładności przyrządu. Bo może się okazać przy takim laserze że wystarczy kilkuminutowe nagrzewanie aparatury, kalibracja i pomiary będą ok (na wymaganą dokładność). Ale może się też okazać że pływanie mocy lasera popsuje kompletnie pomiary jeśli oczekiwana dokładność będzie duża.

    Wybór akurat światła czerwonego (choć używając TSLa możesz wybrać dowolne widzialne plus bliską podczerwień) może być dość istotny jako pewien standard skoro widziałeś że badania były na takim świetle robione. Choć widziałem gdzieś że przy pomiarach przepuszczalności spalin, było użyte 562-572nm, czyli zieleń. Ale nie wiem czy to reguła.
    Chodzi o to że można się spodziewać pewnych istotnych różnic we współczynniku pochłaniania stosując diametralne inne długości fal ze względu na zależność zjawisk rozpraszania od długości fali.

    0
  • Mitronik
  • #5 07 Maj 2018 14:51
    Ba_rt
    Poziom 12  

    Podstawą w takiej konstrukcji jest optyka - bez tego ani rusz. Swego czasu wykonałem takie urządzenie w bliskiej podczerwieni - kilka spostrzeżeń:
    - Zarówno nadajnik jak i odbiornik powinien być odizolowany hermetycznie od środowiska pomiarowego, tak aby droga optyczna, na której będzie występowało tłumienie wiązki była stała. Powinny być również odizolowane od światła zewnętrznego (nawet przy użyciu diody w bliskiej podczerwieni, mając odpowiednio duże wzmocnienie w odbiorniku będziesz zbierał oświetlenie otoczenia)
    - Pomiar typu correlated double sampling
    - im mniejsza odległość tym lepiej - przy większych odległościach zaczyna być istotny problem z temperaturą diody nadawczej
    - regulacja śrubami ok, potem automatyczna kalibracja mocy nadajnika
    - szukaj informacji pod hasłami: densytometr, obscuration meter

    0
  • #6 08 Maj 2018 08:28
    antrykot
    Poziom 20  

    Jeśli chodzi o kompensacje temperatury i innych czynników, dobrym sposobem jest zbudowanie kanału referencyjnego, który jest zamknięty dla dymu i pracuje cały czas w czystym powietrzu. Pozwala to na większą dokładność pomiarów.

    0
  • #7 08 Maj 2018 08:43
    Ba_rt
    Poziom 12  

    antrykot napisał:
    Jeśli chodzi o kompensacje temperatury i innych czynników, dobrym sposobem jest zbudowanie kanału referencyjnego, który jest zamknięty dla dymu i pracuje cały czas w czystym powietrzu. Pozwala to na większą dokładność pomiarów.

    Teorytycznie tak, w praktyce ciężko to wykorzystać (prznajmniej ja miałem z tym problem). Pomiar tak na prawdę nie jest ciągły i w zależności z jaką dokładnością oraz dynamiką chcemy mierzyć zmiany, trzeba zapewnić synchronizację. Co do temperatury - śledzenie zmian temperatury diody nadawczej w wyniku prądu, który ją wysterowuje - ok, ale i tak wszystko zależy od użytych diod i ich charakterystyk. Jeśli pod wpływem zmian temperatury charakterystyka kątowa będzie ulegać zbyt dużym zmianom to będzie to kolejne źródło błędu pomiarowego (nie możliwe jest identyczne ustawienie 2 torów optycznych). Czynników jest multum. Pytanie co i w jakich warunkach chce się osiągnąć.

    0
  • #8 08 Maj 2018 08:49
    antrykot
    Poziom 20  

    Oczywiście problemów jest sporo, jednak mam doświadczenia z optycznymi oraz pelistorowymi czujnikami gazów. Tam zawsze jest kanał referencyjny, do kompensacji + zapewnienie identycznych warunków pomiaru - idealnie jest mierzyć równolegle dwoma przetwornikami w tym samym momencie.

    W czujniku który mieliśmy (miniaturowy czujnik metanu - ok 2-3cm średnicy) tor kompensacyjny działa na innej długości fali. Jeden laser działa na dł. fali którą pochłania metan, drugi na takiej na którą nie ma on wpływu.
    Tutaj, z uwagi na dym, raczej referencyjny kanał musiał by być izolowany całkowicie od dymu.

    Ale oczywiście - wszystko zależy jaka klasa urządzenia jest pożądana.

    0
  • #9 08 Maj 2018 09:22
    TvWidget
    Poziom 32  

    Wiele fabrycznych czujników dymu wykorzystuje zjawisko odbicia światła od cząsteczek dymu a nie jego pochłaniania.

    0
  • #10 08 Maj 2018 09:26
    Ba_rt
    Poziom 12  

    TvWidget napisał:
    Wiele fabrycznych czujników dymu wykorzystuje zjawisko odbicia światła od cząsteczek dymu a nie jego pochłaniania.

    Dokładnie tak :) Kolega @rb401 pisał już o efekcie Tyndalla.

    0
  • #11 08 Maj 2018 18:42
    b4mbus
    Poziom 9  

    TvWidget napisał:
    Wiele fabrycznych czujników dymu wykorzystuje zjawisko odbicia światła od cząsteczek dymu a nie jego pochłaniania.


    Zgadza się jeżeli mowa o czujkach dymu punktowych.

    Ja mówię o czujce liniowej. Tutaj występują urządzenia gdzie nadajnik i odbiornik jest w tej samej obudowie a odbicie wiązki następuje na reflektorze pryzmowym. Są też czujniki z osobnymi nadajnikami i odbiornikami a ich zasada działania polega na pomiarze światła pochłoniętego.

    Czekam na graty, które sobie zamówiłem i będę powoli konstruował cokolwiek zobaczymy co z tego wyjdzie.

    Dziękuję póki co wszystkim za uwagi, które wezmę pod uwagę ! Będę informował o postępach.

    0
  • #12 09 Maj 2018 08:18
    Ba_rt
    Poziom 12  

    b4mbus napisał:
    odbicie wiązki następuje na reflektorze pryzmowym

    Z tymi reflektorami to trzeba uważać. To był jeden z poważniejszych problemów przez, który zrezygnowałem z układu odbiciowego. Wystarczyło 2-3s podgrzać takie "lusterko" i pomiar baaardzo odjeżdżał.

    0