ИНДИКАТОР СТЕПЕНИ ВЗРЫВООПАСНОСТИ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/16 G01N25/50 

Изобретение относится к области анализа газо воздушных смесей с каталитическим окислением и может быть использовано преимущественно для индикации в системах взрывопредупреждения и контроля степени взрывоопасности взрывоопасных объектов.

Известно устройство для измерения довзрывных концентраций горючих газов содержащих источник питания, каталитически активный чувствительный элемент, включенный в измерительный мост, блок обработки сигнала на элементах с релейной характеристикой [1]
Недостаток известного устройства, препятствующий получению требуемого технического результата отсутствие унифицированного источника питания для первичных и вторичных элементов системы и большие потери в балластных элементах при невысокой чувствительности системы.

Известно также, принятое заявителем в качестве наиболее близкого аналога (прототипа), устройство, которое может быть использовано в качестве индикатора степени взрывоопасности газовоздушной смеси с каталитическим окислением содержащее последовательно включенные генератор, устройство питания датчика, мостовую схему с включенным в рабочее плечо термокаталитическим преобразователем, устройство преобразования сигнала мостовой схемы в постоянное напряжение и выходной блок индикации [2]
Недостаток известного устройства, препятствующий получению требуемого технического результата в том, что уровень питающего напряжения термокаталитических газовых сенсоров (являющихся низкоомными элементами) не может обеспечить работоспособность вторичных элементов.

На фиг. 1 представлена структурная схема индикатора степени взрывоопасности газовоздушной смеси, на фиг. 2 принципиальная электрическая схема устройства, на фиг. 3 диаграмма напряжений, где 1 генератор - источник импульсов стабильной скважности, 2 устройство питания импульсным напряжением датчика (ключ), 3 мостовая схема с включением в рабочее плечо термокаталитическим преобразователем, 4 синхронный детектор, 5 выходной блок индикации, 6 выход генератора, 7 выход ключа, 8 дифференциальный выход мостовой схемы, 9 дифференциальный выход синхронного детектора, 10 - напряжения точки 6 (на выходе генератора), 11 напряжения точки 7 (на выходе ключа), 12 напряжения точек 8 (на дифференциальном выходе мостовой схемы), 13 напряжения точек "c", "d" синхронного детектора, 14 напряжения точек 9 (на дифференциальном выходе синхронного детектора).

Задача состоит в устранении указанных недостатков и получении следующего технического результата: одновременная экономия потребляемой мощности (ликвидация потерь мощности в балластном элемента), повышение чувствительности газового сенсора, включенного в мостовую схему и повышение ресурса системы путем унификации питающего напряжения первичных (датчика) и вторичных (остальных) элементов.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известного устройства генератор выполнен в виде генератора импульсов стабильной скважности, устройство для питания датчика выполнено в виде источника импульсного напряжения, устройство преобразования сигнала мостовой схемы в постоянное напряжение выполнено в виде синхронного детектора на два входа и один выход, причем управляющий вход синхронного детектора подключен к выходу генератора импульсов, скважность выходных импульсов которого устанавливается по соотношению:
Q = U2п

/U2н,
где
Q скважность,
U_п напряжение питания источника импульсного напряжения,
U_н напряжение питания термокаталитического преобразователя (сенсора),
при этом генератор импульсов стабильной скважности выполнен по схеме несимметричного мультивибратора с возможностью регулирования скважности, источник питания датчика выполнен на усилителе тока и силовом ключе, синхронный детектор выполнен на нескольких идентичных ячейках схемы выборки-хранения на транзисторном ключе.

Причинно-следственная связь совокупности существенных признаков схема включения, взаимосвязь блоков в работе и назначение режима, с техническим результатом, подтверждается приведенными ниже описанием сущности устройства.

Получение заданного технического результата при работе устройства обеспечивается схемой включения и соединения элементов структуры индикатора, взаимосвязью их в работе.

Основу прибора составляет мостовая схема, состоящая из термокаталитического преобразователя (сенсора) и резисторов. Питание моста осуществляется импульсным напряжением, скважность которого подобрана обеспечивающей необходимую температуру элементов термокаталитического датчика. В отсутствии горючих газов мост сбалансирован и его выходной сигнал равен нулю. При появлении газа происходит разбалансировка моста и его импульсный выходной сигнал поступает на схему выборки-хранения, где происходит его преобразование в сигнал постоянного тока. Управление схемой выборки-хранения осуществляется синхронно с импульсами питающего мост напряжения. Постоянное напряжение с выхода схемы выборки-хранения поступает на вход усилителя постоянного напряжения и далее: на вход схемы преобразователя напряжение-частота и вход компаратора. Преобразователь напряжение-частота преобразует амплитуду выходного сигнала усилителя в частоту следования звуковых и световых импульсов, наблюдаемых оператором при превышении концентрацией газа установленного порога.

Индикатор степени взрывоопасности газо воздушной смеси содержит (фиг. 1) последовательно включенные генератор (1) импульсов стабильной скважности (10) с выходом (6), генератор может быть выполнен, например, по схеме несимметричного мультивибратора с возможностью регулирования скважности, устройство (2) питания импульсным напряжением (11) датчика с выходом (7), выполненный, например, на усилителе тока и силовом ключе, мостовую схему (3) с включенным в рабочее плечо термокаталитическим преобразователем с дифференциальным выходом (8) (12), устройство (4) преобразования сигнала мостовой схемы в постоянное напряжение (13, 14), например, выполненное в виде синхронного детектора выполненного на нескольких идентичных ячейках схемы выборки-хранения на транзисторном ключе, с дифференциальным выходом (9) и двумя входами, один из которых (управляющий) подключен к выходу генератора (1) при этом скважность выходных импульсов генератора устанавливается по соотношению:6 Q = U2п

/U2н,
где
Q скважность,
U_п напряжение питания источника импульсного напряжения,
U_н напряжение питания термокаталитического преобразователя (сенсора);
и выходной блок индикации (5).

При установлении скважности выходных импульсов генератора по вышеприведенной зависимости эквивалентная чувствительность сенсора возрастает в U_п/U_н раз, что особенно эффективным является для селективного режим. Первичные прибора термокаталитические газовые сенсоры, являются низкоомными и их питающее напряжение не может обеспечить питания остальных (вторичных) приборов. В традиционны схемах питающее напряжение вторичных приборов гасится на активных сопротивлениях для обеспечения питания сенсора - имеют место существенные непроизводительные потери мощности. Предложенная система питания сенсора подключается непосредственно к общему питающему напряжению импульсно, при этом мощность выделяющаяся на сенсоре соответствует номинальной и средний ток, потребляемый сенсором в таком включении в Q раз меньше импульсного и в U_п/U_н меньше номинального тока сенсора.

Устройство работает следующим образом.

На выходе (6) генератора (1) импульсов формируются импульсы напряжения U_r заданной скважности (10) и поступают на вход ключевой схемы (2) и управляющий вход синхронного детектора (3). В схеме ключа (2) импульсы усиливаются (11) U_мс, а мостовая схема (3) оказывается подключенной на время действия импульса практически к напряжению постоянного источника питания (+E_п). Выходные напряжения U_a, U_b с плеч мостовой схемы (точки "a", "b") (12) синхронным детектором (4) преобразуются в постоянное напряжение U_c, U_d (12, 13) и U_f, U_e подается на вход индикаторной схемы (5).

В том случае, если в воздухе не содержится в достаточном количестве примесей горючих газов, температура элементов газочувствительного сенсора определяется только тепловым действием протекающего через них тока и мостовая схема может быть сбалансирована. В этом случае амплитуды импульсов напряжения с выходов плеч мостовой схемы равны между собой, а следовательно равны между собой и постоянные напряжения (поз. 12). В этом случае блок индикации фиксирует нулевое состояние.

Если в воздухе содержатся в горючие газы или пары горючих веществ, то температура измерительного элемента газового сенсора повышается за счет окислительной реакции на его поверхности, что приводит к увеличению сопротивления соответствующего плеча моста и росту амплитуды импульсов одного из дифференциальных выходов моста. Как следствие этого увеличиваются постоянные напряжения выхода синхронного детектора, что фиксируется блоком индикации.

Устройство может быть реализовано на элементах общепромышленного назначения, например, (фиг. 2).

Генератор импульсов по схеме несимметричного мультивибратора на логических элементах DD1.1 и DD1.2. Время задающая цепь состоит из конденсатора C1 и резисторов R2, R3, которые благодаря последовательно включенным диодам VD1 и VD2 порознь определяют длительность импульса и паузы. Скважность импульсов такого генератора и ее стабильность определяется в основном соотношением резисторов R2 и R3. Резистор R1 служит для ограничения тока через охранные диоды входа 1 DD1.1.

Устройство питания датчика импульсным напряжением состоит из усилителя тока на транзисторе VT1 и силового ключа на транзисторе VT2. Резистор R4 ограничивает базовый ток транзистора на уровне, допустимом для выхода DD1.2 генератора импульсов. Резистор R5 обеспечивает величину базового тока транзистора VT2 на уровне, достаточном для обеспечения глубокого насыщения при работе на сопротивление мостовой схемы. В качестве транзистора VT1 может быть использован супер-бета транзистор.

Мостовая измерительная схема состоит из резисторов R6, R7 и термокаталитического газового сенсора, измерительный и сравнительный элементы которого обозначены на схеме как R9, R8. Резистор R6 является подстроечным для балансировки моста в отсутствие примесей горючих газов в воздухе.

Синхронный детектор выполнен на основе двух идентичных ячеек, каждая из которых представляет собой схему выборки-хранения. Схема выборки-хранения состоит из транзисторного ключа (VT3, VT4), управляемого выходными импульсами генератора, конденсатора для запоминания амплитудного значения напряжения импульсов (C2, C3) и повторителя напряжения на операционном усилителе (DA1.1, DA1.2) обеспечивающего достаточную величину постоянной времени цепи разряда конденсаторов.

Схема индикации построена, например, на базе микроамперметра с определенными током полного отклонения и сопротивлением обмотки подвижной системы. Резистор R12 служит для регулировки чувствительности схемы индикации.

Работает устройство следующим образом.

На выходе генератора импульсов формируются импульсы напряжения заданной скважности и поступают на вход ключевой схемы и управляющий вход синхронного детектора.

В схеме ключа импульсы усиливаются и открывают ключевой транзистор VT2, в результате чего мостовая схема оказывается подключенной на время действия импульса практически к напряжению питания +E_п. Выходные напряжения с плеч мостовой схемы поступают через открытые на время действия импульса транзисторные ключе VT3, VT4 на конденсаторы C2 и C3 и заряжают их практически до амплитудного значения импульсов с мостовой схемы. После окончания действия импульса закрывается ключевые транзисторы VT2, VT3 и VT4. В результате мостовая схема обесточивается, а на конденсаторах C2 и C3 запоминается амплитудное значение выходных сигналов плеч мостовой семы до прихода следующего импульса. Постоянное напряжение с конденсаторов C2 и C3 поступает через повторители напряжения DA1.1 и DA1.2 на вход индикаторной схемы на HL1.

В том случае, если в воздухе не содержится в достаточном количестве примесей горючих газов, температура элементов газочувствительного сенсора R8 и R9 определяется только тепловым действием протекающего через них тока и мостовая схема может быть сбалансирована с помощью резистора R6. В этом случае амплитуды импульсов напряжения с выходов плеч мостовой схемы равны между собой, а следовательно равны между собой и постоянные напряжения на конденсаторах C2, C3 и на выходах повторителей DA1.1, DA1.2. В этом случае ток через микроамперметр не протекает и показания индикатора HL1 равны нулю.

Если в воздухе содержатся в достаточном количестве горючие газы или пары горючих веществ, то температура измерительного элемента R9 газового сенсора повышается за счет окислительной реакции на его поверхности, что приводит к увеличению сопротивления R9 и росту амплитуды импульсов в точке "a". Как следствие этого увеличиваются напряжения в точках "c" и "e", что приводит к появлению тока через микроамперметр HL1 и отклонению его стрелки.

Индикатор степени взрывоопасности газовоздушной смеси относится к области анализа газовоздушных смесей с каталитическим окислением и может быть использован преимущественно для индикации в системах взрывопредупреждения и контроля степени взрывоопасности взрывоопасных объектов. Устройство содержит генератор импульсов стабильной скважности, устройство для питания датчика в виде источника импульсного напряжения, синхронный детектор на два входа и один выход, причем управляющий вход синхронного детектора подключен к выходу генератора импульсов, скважность выходных импульсов которого устанавливается по соотношению: Q = U2п

/U2н , где Q - скважность, U_п - напряжение питания вторичных приборов, U_н - напряжение питания первичных приборов (сенсора). Устройство позволяет увеличить эквивалентную чувствительность сенсора в U_п/U_н раз, что особенно эффективным является для селективного режима, при этом система питания сенсора подключается непосредственно к общему питающему напряжению импульсно и мощность, выделяющаяся на сенсоре соответствует номинальной, а средний ток, потребляемый сенсором в таком включении в Q раз меньше импульсного и в U_п/U_н меньше номинального тока сенсора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Индикатор степени взрывоопасности газовоздушной смеси, содержащий последовательно включенные генератор, устройство питания датчика, мостовую схему с включенным в рабочее плечо термокаталитическим преобразователем (сенсором), устройство преобразования сигнала мостовой схемы в постоянное напряжение и выходной блок индикации, отличающийся тем, что генератор выполнен в виде генератора импульсов стабильной скважности, устройство питания датчика выполнено в виде источника импульсного напряжения, устройство преобразования сигнала мостовой схемы в постоянное напряжение выполнено в виде синхронного детектора на два входа и один выход, причем управляющий вход синхронного детектора подключен к выходу источника импульсов стабильной скважинности, выходные импульсы которого устанавливаются по соотношению
Q = U2п

/U2н,
где Q скважность;
U_п напряжение питания источника импульсного напряжения;
U_н напряжение питания термокаталитического преобразователя (сенсора). 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор импульсов стабильной скважности выполнен по схеме несимметричного мультивибратора с возможностью регулирования скважности, источник питания датчика выполнен на усилителе тока и силовом ключе, синхронный детектор выполнен на нескольких идентичных ячейках схемы выборки хранения на транзисторном ключе.