XV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2023

Излучение (радиация) является одной из форм существования материи в виде электромагнитного поля. Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, излучают в окружающее пространство лучистую энергию. Лучистая энергия имеет одновременно электромагнитную и квантовую природу. Переносится эта энергия не в виде непрерывных магнитных волн, а квантами (фотонами).

Основной характеристикой излучения является длина волны. По длине волны различают: радиоволны; инфракрасное излучение; видимое излучение; ультрафиолетовое излучение; рентгеновское излучение; g-излучение.

Область электромагнитных излучений с длиной волны от 1 нм до 1 мм называют оптическим излучением.

Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную.

Ультрафиолетовое излучение – оптическое излучение, длины волн примерно от 1 до 380 нм.

Инфракрасное излучение имеет длины волн от 760 нм до 1 мм.

Видимое излучение (свет) – излучение, которое, попадая на сетчатую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение.

Видимое излучение имеет длины волн в пределах 380 – 760 нм (рис. 1).

Рисунок 1 – Видимая часть спектра

Видимая часть спектра состоит из следующих цветных полос:

– красный – 760…630 нм;

– оранжевый – 630…600 нм:

– желтый – 600…570 нм;

– зеленый – 570…490 нм;

– синий – 490…450 нм;

– голубой – 450…430 нм;

– фиолетовый – 430…380 нм.

На практике приходится чаще всего иметь дело с телами, излучающими свет сложного спектрального состава, состоящего из волн различной длины. Энергия видимых излучений воздействует на светочувствительные элементы глаза и производит световое ощущение, интенсивность которого зависит от мощности излучения и длины волны. Это объясняется разной чувствительностью глаза к излучениям с различными длинами волн. При одинаковой мощности излучений каждой из длин волн наибольшее световое ощущение возникает при излучении желто-зеленого цвета с длиной волны 555 нм. Синее излучение той же мощности воспринимается примерно в 20, а красное в 50 раз слабее.

В светотехнике помимо видимого излучения используется также и инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Невидимые инфракрасные лучи являются тепловыми и участвуют в переносе теплоты от одного тела к другому. Они появляются при нагреве какого-либо тела (например, куска металла) до температуры не выше 800 К. На шкале электромагнитных волн они занимают достаточно широкий диапазон между красным концом видимого спектра излучения света и коротковолновым радиоизлучением. Инфракрасное излучение находит широкое применение в дефектоскопии, в приборах ночного видения и ночного фотографирования, в средствах скрытой сигнализации и т. д.

Инфракрасные лучи представляют собой электромагнитные колебания с длиной волны 10-4–10-2 см. Они непосредственно примыкают к красному участку видимой части спектра, но не видимы глазом человека. Инфракрасные лучи практически не рассеиваются в пространстве и, проникая в глубь тел, производят их нагрев. Глубина проникновения зависит от свойств нагреваемого материала, его структуры, характера поверхности и может составлять от десятых долей до нескольких миллиметров.

Для каждого вещества имеется определенная длина волн инфракрасного излучения, при которой происходит наиболее эффективный его нагрев. Воздух для инфракрасных лучей практически прозрачен, поэтому передача теплоты от источника инфракрасного излучения к нагреваемому объекту происходит без заметных потерь.

Простейшими источниками инфракрасного излучения являются лампы накаливания, работающие при пониженном напряжении, когда они излучают преимущественно невидимее инфракрасные лучи и незначительную долю составляют видимые световые лучи.

Промышленностью выпускаются излучатели различных типов. Главными признаками, определяющими область наиболее эффективного использования излучателя каждого типа, является рабочая температура, длина волны максимального излучения и зона равномерной плотности излучения.

Основными источниками инфракрасных лучей являются ламповые излучатели с зеркальными отражателями (длина волны максимального излучения 1,05 мкм), кварцевые трубчатые (2…3 мкм), неметаллические стержневые нагреватели с рефлектором (6…8 мкм) и трубчатые электронагреватели (ТЭН).

В сельскохозяйственном производстве для сушки сельскохозяйственной продукции, обогрева молодняка животных и птиц удобно применять источники инфракрасного (ИК) излучения. Специфической особенностью ИК излучения является его тепловое действие и хорошая проникающая способность.

Инфракрасное излучатели можно получить от инфракрасных ламп это «световые» излучатели или лампы термоизлучатели и трубчатых электрических нагревателей или спиралей из материалов и сплавов имеющих высокое удельное сопротивление – «темные» излучатели.

«Светлые» источники имеют конструкцию ламп накаливания, однако их тело накала рассчитано на меньшую, чем в осветительных лампах накаливания температуру в пределах 2270…2770 К для увеличения доли инфракрасного излучения и сокращения доли видимого излучения. Максимум спектральной плотности излучения таких ламп смещен в длинно-волновую часть спектра и приходится на излучение с длиной волны 1000…1400 нм.

Электротехническая промышленность выпускает специальные инфракрасные излучатели в виде ламп накаливания типа ИКЗ 220 мощность 250, 500 Вт – инфракрасный излучатель с зеркальным отражателем, а также ИКЗС и ИКЗК со светлой или красной колбой.

Пониженная температура тела накала инфракрасных ламп способствует увеличению их срока службы до 5000 ч.

Инфракрасные излучатели (лампы) типа КГ 220-1000, которые представляют собой цилиндрическую трубку диаметром около 10 мм и длиной 370 мм. Тело накала лампы выполнено в виде вольфрамовой спирали, смонтированной по оси трубки на вольфрамовых поддержках. Ввод в лампу выполнен посредством молибденовых электродов, впаянных в кварцевые ножки. Концы спирали тела накала навернуты на внутреннюю часть вводов. Цоколи выполнены из никелевой ленты со швом, в который введены наружные молибденовые выводы. Трубка изготавливается из кварцевого стекла и наполняется аргоном с содержанием йода. Добавление внутрь колбы йода позволяет уменьшить распыление вольфрама и тем самым увеличить срок службы ламп до 3000 ч.

«Темные» источники инфракрасного излучения конструктивно состоят из металлической трубки, внутрь которой помещается спиральный нагреватель из нихромовой проволоки и заполняется огнестойкой изоляционной массой. Спектр излучения «темных» излучателей находится в диапазоне длин волн 1400…10000 нм с максимумом спектральной плотности излучения при 4000 нм.

Для применения теплоэлектронагревателей (ТЭН) в качестве инфракрасного обогрева они производятся с различной единичной мощность от 400 до 1500 Вт и более на напряжение 220 В. Срок службы ТЭНов до 10000 ч.

Для защиты источника инфракрасного излучения от механических повреждений, а также от загрязнения, влаги ИК заключаются в специальные кожухи, применяются различные защитные сетки. Для перераспределения потока излучения в пространстве применяют отражатели. Источник ИК совместно с арматурой называется облучатель.

ИК излучатель– это электрический прибор излучающий свет в инфракрасном диапазоне, в лабораторной работе используется линейка светодиодов. ИК светодиоды, а так же фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах, некоторых мобильных телефонах, бытовых приборах и т. п.

Основные составные элементы излучателя датчика показаны на рисунке 2.

Рисунок 2 - ИК-излучатель

В основе работы светодиода лежит принцип электролюминесценции полупроводникового перехода. При пропускании электрического тока через p-n переход в прямом направлении, носители заряда, электроны и дырки, рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой). Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (нитрид галлия) до инфракрасного диапазона (сульфид свинца). Не все полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации.

Инфракрасное излучение – электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1—2 мм).

Оптические свойства веществ в инфракрасном излучении значительно отличаются от их свойств в видимом излучении. Например, слой воды в несколько сантиметров непрозрачен для инфракрасного излучения с λ = 1 мкм. Инфракрасное излучение составляет большую часть излучения ламп накаливания, газоразрядных ламп, около 50% излучения Солнца. Инфракрасное излучение испускают некоторые лазеры.

Весь диапазон инфракрасного излучения делят на три составляющих: коротковолновая область (λ = 0,74—2,5 мкм), средневолновая область (λ = 2,5—50 мкм), длинноволновая область (λ = 50—2000 мкм).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как инфракрасное излучение от нагретых предметов воспринимается кожей человека как ощущение тепла. Для его регистрации пользуются тепловыми и фотоэлектрическими приемниками, а также специальными фотоматериалами.

Принцип работы ик приёмника.

ИК приёмник – это линейка фотодиодов, которые преобразуют попавший на их фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт фотоэффекта. При воздействии квантов излучения в базе происходит генерация свободных носителей, которые устремляются к границе p-n-перехода. Ширина базы (n-область) делается такой, чтобы дырки не успевали рекомбинировать до перехода в p-область. Ток фотодиода определяется током неосновных носителей — дрейфовым током. Быстродействие фотодиода определяется скоростью разделения носителей полем p-n-перехода и ёмкостью p-n-перехода C_{p-n .} На рисунке 3 показано устройство ИК приёмника.

Рисунок 3 – ИК приёмник

Фотодиод может работать в двух режимах: 

фотогальванический — без внешнего напряжения; 

фотодиодный — с внешним обратным напряжением.

Особенности фотодиода в отличие от остальных фото приборов: простота технологии изготовления и структуры; сочетание высокой фоточувствительности и быстродействия; малое сопротивление базы; малая инерционность.

Примеры установки световых завес безопасности на производстве.

Рисунок 4 - Защита рук на формовочной машине

Цель состоит в том, чтобы предотвратить попадание рук оператора во время операций укладки деталей. Это не должно влиять на производственный процесс.

Решение: защита осуществляется при помощи акриловых труб которые предотвращают попадание в датчик загрязнений. Крышка предотвращает проникновение воды и грязи во вход трубы и в то же время, препятствует внутренней конденсации. Кабельное соединение защищено и фиксируется сальником, что препятствует проникновению воды или попаданию грязи в трубку.

Преимущества: измерение профиля и вращающиеся крепления типичной области применения, которые требуют фиксации в ограниченном пространстве, гарантирует максимальную гибкость установки и адаптацию к размерам машины.

Рисунок 5 - Использование для охлаждения и кондиционирования воздуха

Системы охлаждения и воздушного кондиционирования, также как устройства и компоненты для автотранспорта контролируются внутри машины. Точка, где компоненты находятся в измерительной комнате, должна быть защищена в полном соответствии с требованиями, гарантирующими безопасный доступ к охраняемой территории.

Решение: испытания машины

немедленно остановить, даже если хотя бы один из пучков прерывается.

Преимущества: простота доступа при остановке машины.

Рисунок 6 - Автоматический склад

Световой экран представляет собой достаточно хорошее решение для защиты оператора от попадания рук между движущихся частей.

Решение: При установке данной завесы движение немедленно остановиться, даже если хотя бы один из пучков прервётся.

Преимущества: профиль и крепежные системы облегчат и ускорят установку. Такие характеристики как дальность, контролируемая высота и время отклика обеспечивают максимальную гибкость установки.

Рисунок 7- Отключение перезагрузки машины

Автоматы могут иметь движущиеся части, что увеличивает опасность для операторов. Даже если эти устройства являются очень эффективными, они не могут избежать человеческих ошибок: коллега может перезапустить производственный цикл, не видя оператора и посчитав это случайной остановкой.

Решение: в соответствии со стандартом, главный световой экран останавливает машину, когда оператор входит в опасную зону и руководству перезапуска необходимо перезапустить производственный цикл. Горизонтальные световые экраны расположены и подключены к возобновлению основного светового экрана в областях, где оператор не может видеть машины при проведении технического обслуживания. Цикл перезагрузки, следовательно, избегается и тем самым ненужная машина останавливается в результате случайного поступления материала.

Преимущества: высокое разрешение даёт максимальную эффективность системы безопасности. Применение фотоэлектрических световых экранов гарантирует снижение затрат, отказ от использования механических средств защиты.

Рисунок 9 – Основные работы

Являются хорошим решением для защиты оператора от опасности быть травмированным движущимся манипулятором.

Решение: робот блокируется, если оператор входит в опасную зону и прерывает оптические сетки на полу.

Рисунок 9 - Автоматический склад

Для защиты оператора от того, чтобы быть раздавленным движущимся краном штабелером.

Решение: монтаж в горизонтальном положении световой сетки в опасной зоне, с целью выявления наличия оператора и блокировки крана штабелера.

Список литературы

1. Газовые горелки инфракрасного излучения. А.И. Богомолов, Д.Я. Вигдорчик, М.А. Маевский./ М. -- Изд. Литературы по строительству, 1967 г.

2. Галдин В.Д. Сжигание газа. Газогорелочные устройства: Учебное пособие. -- Омск: Изд-во СибАДИ, 2008.

3. Токарев П.С. Газовые горелки инфракрасного излучения и их применение в промышленности.

4. Теоретические знания -- в практические дела: в 2-х частях. Ч.1. /Омск: Филиал ГОУ ВПО «РосЗИТЛП» в г. Омске, 2009.

5. Стандарт АВОК 4.1.5-2006 «Системы отопления и обогрева с газовыми и инфракрасными излучателями»

6. Хотунцев Ю.Л. Экология и экологическая безопасность: Учеб. пособие. - М.: ACADEMA, 2002.

7. Воронков Н.А. Экология. Общая, социальная, прикладная: Учеб. пособие. - М.: Агар, 1999.

Код для цитирования: Скопировать