ПЕРЕНОСНОЙ ШАХТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР МЕТАНА Российский патент 1995 года по МПК E21F17/18 

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим средствам газовой защиты, и может быть использовано для непрерывного автоматического или эпизодического контроля концентрации метана в шахтной атмосфере и сигнализации о превышении допустимых норм метана в шахте, а также в газовом хозяйстве городов.

Известны переносные шахтные сигнализаторы метана отечественного производства типа СЦС, СМС-2, "Сигнал-2", а также немецкие сигнализаторы G-5001, AFD-2 английской фирмы "Сигер" и другие [1-3], основанные на термокаталитическом принципе измерения концентрации метана и имеющие цифровую индикацию показаний. Они предназначены для непрерывного автоматического контроля концентрации метана в шахтной атмосфере и выдачи предупредительной сигнализации при превышении допустимых норм концентрации метана в шахте.

Указанные выше сигнализаторы близки по структурному построению и выполняемым функциям.

Они содержат датчик метана, подключенный через усилитель ко входам аналого-цифрового преобразователя с цифровым индикатором и блока сигнализации, а также блок питания, соединенный с датчиком метана через стабилизатор напряжения.

Недостаток известных сигнализаторов заключается в том, что при поступлении на датчик указанных сигнализаторов метановоздушной смеси с концентрацией метана, значительно выше, чем 5 об.%, возможна выдача сигнализатором ложных показаний из-за неоднозначности характеристики термокаталитического датчика при высоких концентрациях метана, которая обусловлена резким снижением выходного сигнала датчика по причине недостатка кислорода, вытесняемого метана. В результате значительного снижения сигнала датчика происходит отключение сигнализации в случае, если сигнал становится меньше уставки срабатывания сигнализации. Это может привести к неверной оценке степени опасности газовой ситуации, которая может возникнуть в шахте или на объекте газового хозяйства в результате внезапного выброса или утечки горючего газа при аварии.

Согласно требованию ГОСТ 24032-80 вновь разрабатываемые сигнализаторы метана, основанные на термокаталитическом принципе, должны обеспечивать однозначность получаемой информации путем получения сигнализации о превышении верхнего предела рабочего диапазона измерения. В то же время все известные [1-3] сигнализаторы не удовлетворяют этому требованию, для проверки которого на датчик сигнализатора подают газовую смесь с концентрацией метана в воздухе не менее 90% [4].

Наиболее близким по структурному построению и функциям к заявляемому сигнализатору является известный переносной шахтный сигнализатор метана "Сигнал-2" [2] , выпускаемый серийно конотопским заводом "Красный металлист". Он принят за прототип. Этот сигнализатор содержит датчик метана, подключенный через усилитель ко входам аналого-цифрового преобразователя с цифровым индикатором и блока сигнализации, а также блок питания, соединенный с датчиком метана через стабилизатор напряжения.

Недостаток прототипа - возможность выдачи ложных показаний из-за неоднозначности получаемой информации, связанной с двухзначностью характеристики термокаталитического датчика в диапазоне высоких концентраций метана. Такая ситуация может иметь место в результате внезапного выброса угля и газа в шахте или на объекте газового хозяйства при аварии, когда происходит интенсивное загазирование горных выработок или подземных коммуникаций и концентрация метана быстро достигает величины 20 об.% и более. При этом происходит вытеснение кислорода метаном, что приводит к уменьшению теплового эффекта реакции окисления метана кислородом на рабочем элементе термокаталитического датчика, и сигнал на выходе датчика начинает уменьшаться при концентрациях более 10 об.%. Вследствие снижения сигнала на выходе датчика до уставки срабатывания происходит отключение сигнализации, что может привести к неверной оценке степени опасности газовой ситуации. В то же время при длительном пребывании в атмосфере с недостаточным содержанием кислорода нарастает угроза удушья людей. Воздействие высоких концентраций на датчик приводит к снижению его чувствительности и уходу нуля из-за повреждения каталитического покрытия рабочего элемента.

Цель изобретения - предотвращение выдачи ложных показаний за счет обеспечения однозначности получаемой информации.

Для достижения указанной цели переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, подключенный через усилитель ко входам аналого-цифрового преобразователя с цифровым индикатором и блока сигнализации, а также блок питания, соединенный с датчиком метана через стабилизатор напряжения, введены пороговый элемент газовой перегрузки с большим гистерезисом, формирователь импульса запуска, реле времени, формирователь импульса сброса, логический элемент 2И-НЕ и аналоговый ключ. Пороговый элемент газовой перегрузки, формирователь импульса запуска, реле времени, логический элемент 2И-НЕ и управляющий вход аналогового ключа соединены последовательно между собой. Выход усилителя подключен ко входу порогового элемента газовой перегрузки, выход которого подключен к одному из входов логического элемента 2И-НЕ. Входы формирователя импульса сброса и аналогового ключа подсоединены к блоку питания. Выход аналогового ключа подключен к управляющему входу аналого-цифрового преобразователя. Выход формирователя импульса сброса соединен со входом сброса реле времени.

За счет новой совокупности признаков появляется новое свойство заявляемого объекта: предотвращается выдача ложных неоднозначных показаний при высоких концентрациях метана, благодаря чему повышается точность оценки степени опасности газовой ситуации.

На чертеже представлена блок-схема переносного шахтного сигнализатора метана.

В состав сигнализатора входят датчик метана 1, усилитель 2, аналого-цифровой преобразователь 3, цифровой индикатор 4, блок сигнализации 5, блок питания 6, стабилизатор напряжения 7, пороговый элемент 8 газовой перегрузки с большим гистерезисом, формирователь 9 импульса запуска, реле времени 10, формирователь 11 импульса сброса, логический элемент 2И-НЕ 12, аналоговый ключ 13.

Перечисленные элементы сигнализатора соединены между собой следующим образом. Датчик метана 1 подключен через усилитель 2 ко входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3 с цифровым индикатором 4. Блок сигнализации 5 соединен со входом и выходом АЦП 3. Блок питания 6 через стабилизатор напряжения 7 соединен с датчиком метана 1.

Выход усилителя 2 подключен ко входу порогового элемента газовой перегрузки 8, выход которого соединен через формирователь импульса запуска 9 со входом реле времени 10 и одним из входов логического элемента 2И-НЕ 12. Формирователь импульса сброса 11 подключен своим входом к блоку питания 6, а выходом - ко входу сброса реле времени 10, выход которого присоединен к другому входу логического элемента 12. Выход логического элемента 12 подключен к управляющему входу аналогового ключа 13, выход которого подсоединен к управляющему входу АЦП 3, а другой вход соединен с блоком питания 6.

В предложенном сигнализаторе могут быть использованы термокаталитический датчик метана 1, усилитель 2, блок сигнализации 5, блок питания 6 и стабилизатор напряжения 7 от известного сигнализатора метана "Сигнал-2" [1] . АЦП 3 типа КР572ПВ2А с цифровыми индикаторами 4 типа АЛС324Б. В качестве управляющего входа АЦП 3 использован вывод 37 "Контроль" микросхемы КР572ПВ2А.

В качестве выхода АЦП 3, подключенного к другому входу блока сигнализации 5, используется вывод 22 G100 микросхемы КР572ПВ2А. Этим другим входом блока сигнализации 5 может быть вывод 1 или 2 микросхемы Д1 типа К561ЛА7 на схеме прибора "Сигнал-2".

В качестве порогового элемента газовой перегрузки с большим гистерезисом 8 может быть использован известный триггер Шмитта, собранный на операционном усилителе типа КР140УД1208. Его напряжение срабатывания в 10 раз больше напряжения отпускания, что соответствует концентрациям метана 5 и 0,5%.

Формирователь импульса запуска 9 может быть выполнен в виде простейшей диодно-резисторной дифференцирующей цепочки.

Реле времени 10 может быть выполнено в виде ждущего мультивибратора [5] , собранного на трех логических элементах 2И-НЕ типа К561ЛА7. Такого же типа может быть и логический элемент 12.

Время срабатывания реле 10 определяется RC цепочкой и составляет порядка 10-20 с. Формирователь импульса сброса 11 может быть собран на указанном логическом элементе. В качестве аналогового ключа 13 может быть использован n-p-n транзистор типа КТ315, причем управляющим входом ключа является база транзистора.

Предложенный сигнализатор работает следующим образом.

При включении сигнализатора напряжение от блока питания 6 поступает через стабилизатор 7 на датчик метана 1, который включен в мостовую схему, и другие блоки сигнализатора. Формирователь импульса сброса 11 в момент включения сигнализатора к блоку питания 6 выдает импульс сброса с напряжением логического нуля длительностью около 20 мс, который поступает на вход сброса реле времени 10 и блокирует его на время длительности импульса сброса, чтобы предотвратить ложное срабатывание реле времени 10 от всплеска напряжения, возникающего в момент включения на выходе датчика 1 при его разогреве и поступающего на вход реле времени 10 через усилитель 2, пороговый элемент 8 и формирователь импульса 9. После включения сигнализатора производится настройка электрического нуля по цифровому индикатору 4 при помощи потенциометра, расположенного в мостовой схеме датчика при подаче на датчик чистого воздуха. Затем производится калибровка сигнализатора по поверочно-газовой смеси с концентрацией метана 2%, подаваемой на датчик 1. На цифровом индикаторе должно быть показание 2%, которое при необходимости подстраивается потенциометром, регулирующим коэффициент усиления усилителя 2.

Уставка срабатывания звуковой и световой сигнализации блока сигнализации 5 выбрана равной 2% по правилам безопасности, что обеспечивается настройкой потенциометра, задающего уставку срабатывания порогового элемента в блоке сигнализации 5. Срабатывание сигнализации при концентрации 2% дублируется за счет подачи сигнала с выхода G100 АЦП 3 на вход логического элемента блока сигнализации 5. Пороговый элемент газовой перегрузки 8 предварительно настраивается на уставку срабатывания 5% метана при помощи потенциометра. Отключение порогового элемента 8 настраивается при концентрации 0,5% метана, что обеспечивается выбором резистора в обратной связи триггера Шмитта, собранного на операционном усилителе.

Таким образом осуществляется большой гистерезис в работе порогового элемента 8. При подаче на датчик 1 метановоздушной смеси с концентрацией значительно больше 5%, напряжение с выхода датчик 1 усиливается усилителем 2 и поступает на входы АЦП 3, блока сигнализации 5 и порогового элемента 8. При этом происходит срабатывание порогового элемента в блоке сигнализации 5 и порогового элемента 8, поскольку на датчике концентрация метана плавно увеличивается во времени от нуля до номинального значения концентрации метана в смеси, проходя все промежуточные значения, в том числе и уставки срабатывания указанных пороговых элементов.

Следовательно, срабатывает звуковая и световая сигнализация. При срабатывании порогового элемента газовой перегрузки 8, напряжение на его выходе скачком меняется с напряжения логической единицы до напряжения логического нуля, которое поступает на один из входов логического элемента 2И-НЕ 12. На выходе этого элемента установится напряжение логической единицы, которое поступает на управляющий вход аналогового ключа 13, который открывается и напряжение с блока питания 6 поступает на управляющий вход АЦП 3. При этом на цифровом индикаторе 4 установится показание 8,88%, соответствующее переполнению шкалы.

По мере повышения концентрации метана на датчике 1 напряжение на его выходе после увеличения до максимума начинает затем снижаться за счет вытеснения метаном кислорода, необходимого для поддержания реакции окисления метана. За счет гистерезиса не происходит отключения порогового элемента 8, а следовательно на цифровом индикаторе при концентрации метана более 5% сохраняется сигнал переполнения 8,88%, тем самым предотвращается выдача ложных показаний сигнализатора. Одновременно обеспечивается срабатывание звуковой и световой сигнализации, так как сигнал логического нуля с выхода G100 АЦП 3 поступает на вход блока сигнализации 5, вызывая срабатывание сигнализации. Если все же произойдет отключение порогового элемента 8 при очень большой концентрации метана, соответствующей сигналу на выходе датчика при нормальной концентрации 0,5%, то напряжение на выходе порогового элемента 8 скачком меняется с напряжения логического нуля до напряжения логической единицы. Формирователь импульса запуска 9 выдает короткий импульс положительной полярности, вызывающий срабатывание реле времени 10, на выходе которого формируется импульс логического нуля длительностью 10-20 с. Этот импульс поступает на другой вход логического элемента 12 2И-НЕ, что приводит к задержке отключения аналогового ключа 13 и сохранению еще на 10-20 с на цифровом индикаторе 4 показания 8,88%, соответствующего газовой перегрузке. Это время необходимо для более четкой фиксации показания индикатора 4 и срабатывания сигнализации при газовой перегрузке, чтобы дать время шахтеру принять решение о выходе из опасной зоны на свежую струю.

При прекращении газовой перегрузки, что происходит при выходе шахтера на свежую струю по правилам безопасности, концентрация метана снижается до 0,5% и меньше, т.е. до уставки отключения порогового элемента 8 при проветривании датчика и затем после срабатывания реле времени 10 происходит восстановление нормальных показаний сигнализатора на цифровом индикаторе 4, т. к. закрывается аналоговый ключ 13 и исчезает показание 8,88% на индикаторе 4.

Таким образом, сигнализатор не допускает выдачу ложных неоднозначных показаний, что позволяет повысить точность оценки степени опасности газовой ситуации в шахте.

Экспериментальная проверка предложенного сигнализатора на соответствие требованиям ГОСТ 24032-80 [4] показала, что при подаче на датчик 1 метана с концентрацией 92% происходило появление на цифровом индикаторе 4 показания газовой перегрузки 8,88% и срабатывала звуковая и световая сигнализация. Это продолжалось в течение всего времени подачи газовой смеси. После снятия газовой перегрузки и проветривания датчика 1 чистым воздухом через 20 с автоматически восстанавливалась способность сигнализатора к измерению концентрации метана. Экспериментально было установлено, что у большинства образцов термокаталитических датчиков метана при подаче метана с концентрацией 90% и более на выходе датчика имеется отличное от нуля небольшое напряжение, соответствующее концентрации 0,5% в нормальном режиме, так как датчик 1 переходит в режим теплопроводности, а его рабочий и сравнительный элементы, как правило, не одинаковы по своим параметрам. За счет этого можно удерживать на цифровом индикаторе 4 при подаче газовой смеси 90% метана показание 8,88% при помощи порогового элемента 8 с большим гистерезисом. В случае, если рабочий и сравнительный элементы идентичны (что бывает редко) или очень близки по параметрам, то сигнал на выходе датчика может быть меньше, чем при 0,5% метана в нормальном режиме. Однако и в этом случае применение порогового элемента 8 в большим гистерезисом совместно с реле времени 10 создает достаточный резерв во времени (более 1 мин) для задержки отключения сигнала газовой перегрузки 8,88%, что позволяет надежно зафиксировать опасную газовую ситуацию и принять решение о выходе на свежую струю, а также предотвратить выдачу ложных неоднозначных показаний. Таким образом, появление на цифровом индикаторе покания 8,88%, может служить сигналом для применения шахтером изолирующего самоспасателя, поскольку это соответствует опасной для жизни газовой ситуации, когда концентрация метана в результате внезапного выброса резко растет (значительно больше 5%), а концентрация кислорода при этом резко падает. Следовательно, применение предложенного сигнализатора повышает уровень безопасности труда на шахтах, опасных по внезапным выбросам.

В случае использования предложенного сигнализатора для контроля горючего газа в колодцах подземных сооружений в городском газовом хозяйстве измерения концентрации газа осуществляется при помощи выносного датчика через отверстие в крышке колодца. При сильном загазировании колодца в результате утечки газа, когда концентрация значительно больше 5%, предложенный сигнализатор выдает на цифровом индикаторе сигнал газовой перегрузки и светозвуковую сигнализацию. Необходимо извлечь датчик из колодца и проветрить его на свежем воздухе. Через промежуток времени около 30 с автоматически отключится сигнал газовой перегрузки и светозвуковая сигнализация, и прибор снова готов к работе.

Таким образом, в предложенном сигнализаторе исключается выдача ложных показаний при газовой перегрузке, что повышает точность оценки степени опасности газовой ситуации в колодцах подземных сооружений городского газового хозяйства.

Использование: для непрерывного автоматического контроля метана в шахтной атмосфере и в городском газовом хозяйстве. Сущность изобретения: при поступлении на датчик сигнализатора метановоздушной смеси с концентрацией метана, существенно большей, чем 5 об. %, срабатывает пороговый элемент и включается сигнал газовой перегрузки на цифровом индикаторе, соответствующий переполнению шкалы, который удерживается до тех пор, пока подача газовой смеси не будет прекращена и не будет произведено проветривание датчика. Одновременно с сигналом газовой перегрузки включается светозвуковая сигнализация. После отключения порогового элемента срабатывает реле времени, за счет которого обеспечивается задержка отключения сигнала газовой перегрузки, чтобы обеспечить более надежную фиксацию сигнала. За счет совокупности новых элементов и связей между ними предотвращается выдача ложных показаний и повышается точность оценки степени опасности газовой ситуации в шахте. 1 ил.

ПЕРЕНОСНОЙ ШАХТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР МЕТАНА, содержащий датчик метана, соединенный с входом усилителя, выход которого подключен к первому входу блока сигнализации и входу аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с вторым входом блока сигнализации и входом цифрового индикатора, блок питания, соединенный через стабилизатор напряжения с датчиком метана, отличающийся тем, что в сигнализатор введены пороговый элемент газовой перегрузки с большим гистерезисом, формирователь импульса запуска, реле времени, формирователь импульса сброса, логический элемент 2И - НЕ и аналоговый ключ, причем вход усилителя через пороговый элемент газовой перегрузки соединен с первым входом логического элемента 2И - НЕ и входом формирователя импульса запуска, выход последнего соединен с первым входом реле времени, второй вход которого соединен с выходом формирователя импульса сброса, а выход - с вторым входом логического элемента 2И - НЕ, выход которого соединен с первым входом аналогового ключа, выход которого подключен к второму входу аналого-цифрового преобразователя, вход формирователя импульса сброса и второй вход аналогового ключа подключены к блоку питания.