ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2010 года по МПК G01N33/00 

Предпосылки создания изобретения

Настоящее изобретение относится к газоанализатору, который можно использовать, например, в шахтах.

Известные газоанализаторы имеют корпус с одним или несколькими газовыми датчиками, электронной схемой обработки и дисплеем. Обычно такие приборы работают от батарей и являются портативными.

В первую очередь такие приборы используют при работе в шахтах для измерения в них концентрации газов. Некоторые газы, например метан, легче воздуха и скапливаются под кровлей шахты. Поэтому обычно газоанализаторы устанавливают под кровлей шахты на конце стойки. В таких условиях считывание данных с дисплея затруднительно. При наличии в газоанализаторе функции памяти, позволяющей сохранять данные о максимальной или последней измеренной концентрации газа, выводимой на дисплей, для считывания данных с дисплея прибор нужно снять с верхнего конца стойки. Очевидно, что при разной концентрации газа в разных местах шахты считанные с дисплея данные могут оказаться неточными.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать альтернативный газоанализатор.

Краткое изложение сущности изобретения

Согласно изобретению в нем предлагается газоанализатор, состоящий из первого корпуса, по меньшей мере одного расположенного в первом корпусе газового датчика, расположенного в первом корпусе измерительного устройства, которое по сигналу по меньшей мере от одного газового датчика выдает информацию об измеренной концентрации газа, расположенного в первом корпусе передатчика, который передает сигналы, несущие информацию об измеренной концентрации газа, второго корпуса, расположенного во втором корпусе приемника, принимающего сигналы, несущие информацию об измеренной концентрации газа, и расположенного во втором корпусе дисплея, на котором воспроизводится информация об измеренной концентрации газа.

Первый и второй корпусы предпочтительно объединить в один блок с возможностью их разъединения.

В качестве передатчика, расположенного в первом корпусе, и приемника, расположенного во втором корпусе, предпочтительно использовать радиопередатчик и радиоприемник соответственно.

Газоанализатор может запитываться от соответствующих батарей, расположенных в первом и втором корпусах.

Используемые в качестве источников питания батареи могут быть аккумуляторными, и для зарядки батареи или батарей в обоих корпусах предназначены расположенные в первом корпусе выводы для подсоединения зарядного устройства.

В предпочтительном варианте выполнения газоанализатора расположенная в первом корпусе батарея или расположенные в нем батареи заряжается(ются) одновременно с батареей или батареями, расположенной(ыми) во втором корпусе, который при зарядке соединяется с первым корпусом.

Для зарядки батареи или батарей, расположенной(ых) во втором корпусе, в другом предпочтительном варианте на соответствующих корпусах предлагается предусмотреть специальные устройства для бесконтактной передачи энергии от первого корпуса ко второму корпусу, исключающие необходимость в электрическом соединении корпусов с помощью соответствующих контактов.

Для этой цели можно использовать, например, расположенный в первом корпусе источник света, который включается при установке первого корпуса в зарядное устройство, и имеющийся во втором корпусе фотоэлемент, который при соединении корпусов размещается рядом с источником света.

В предлагаемом в изобретении газоанализаторе можно также использовать измерительный модуль для передачи унифицированных измерительных сигналов, несущих информацию о полученных данных, на соединенный с ним дисплейный модуль и передачи широковещательного сигнала на множество дисплейных модулей.

В измерительном модуле предпочтительно иметь измерительное устройство для определения пороговой (предельно допустимой) концентрации газа, которое, когда измеренная концентрация газа превышает пороговую величину, передает несущие соответствующую информацию сигналы в виде широковещательных сигналов.

Измерительное устройство можно выполнить регулируемым для возможности его настройки на определенную предельно допустимую концентрацию газа.

В предпочтительном варианте либо измерительный модуль можно выполнить в виде главного (задающего) модуля, который в соответствии с определенным протоколом управляет связью между собой и множеством дисплейных модулей, либо наоборот.

В предпочтительном варианте сигналы, несущие информацию об измеренной концентрации газа, передаются с дисплейного модуля в центральное считывающее устройство.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 в аксонометрии показаны отдельные элементы предлагаемого в изобретении газоанализатора.

На фиг.2 в упрощенном виде показана электронная схема приемного модуля предлагаемого в изобретении газоанализатора.

На фиг.3 в упрощенном виде показана схема зарядки аккумуляторных батарей приемного модуля.

На фиг.4 в упрощенном виде показана электронная схема измерительного модуля предлагаемого в изобретении газоанализатора.

На фиг.5 в упрощенном виде показана схема зарядки аккумуляторной батареи измерительного модуля.

На фиг.6 в аксонометрии показан выполненный по второму варианту предлагаемый в изобретении газоанализатор с изображением лицевой стороны дисплейного модуля и тыльной стороны измерительного модуля.

На фиг.7 показана блок-схема последовательности операций, выполняемых дисплейным модулем.

На фиг.8 показана блок-схема последовательности операций, выполняемых измерительным модулем.

Описание одного из вариантов осуществления изобретения

Показанный на чертежах газоанализатор состоит из расположенного в первом корпусе дисплейного модуля 10 и расположенного во втором корпусе измерительного модуля 12. Оба корпуса имеют устройства, позволяющие разъемно соединять их друг с другом. Дисплейный модуль имеет на противоположных краях выступающие наружу фланцы 14 и 16, а измерительный модуль - сопрягаемые с ними фланцы 18 и 20, так что дисплейный модуль может быть выдвинут в измерительный модуль с его лицевой стороны. Обычно корпуса модулей 10 и 12 изготавливают литьем из соответствующей пластмассы.

На торце корпуса измерительного модуля 12 расположены два газовых датчика 22 и 24. Эти датчики можно использовать, например, для измерения концентрации в воздухе моноксида углерода (СО), кислорода (О₂) или метана (СН₄). В корпусе измерительного модуля расположена измерительная схема 26, обычно на базе микропроцессора, которая на основе измеренных датчиками результатов выдает информацию о концентрации соответствующих газов. Сами газовые датчики и измерительная схема достаточно хорошо известны и поэтому подробно не рассматриваются.

В корпусе измерительного модуля 12 расположен также приемопередатчик 28 для радиосвязи с соответствующей антенной 30 (см. фиг.4). В основании корпуса измерительного модуля 12 расположены контакты 32, которыми измерительный модуль соединяется с контактами 34 зарядного устройства 36.

В качестве источника питания измерительного модуля 12 обычно используют расположенные в его корпусе аккумуляторные батареи 38, в частности, батареи никель-кадмиевых или никель-металлогидридных аккумуляторов. При установке измерительного модуля в зарядное устройство 36 расположенная в нем батарея 38 заряжается проходящим через блокировочный диод 40 током. При зарядке батареи одновременно загорается лампочка или светодиод 42.

На лицевой стороне корпуса измерительного модуля между фланцами 18 и 20 в прозрачном окне 44 расположена лампа 32. Назначение этой лампы рассмотрено ниже.

На лицевой стороне корпуса дисплейного модуля 10 расположены жидкокристаллический дисплей 44 и несколько кнопок 46 или других органов управления. Для настройки прибора и ввода исходных рабочих данных, в частности пороговых концентраций различных газов, предназначена клавиатура 46. Как показано на фиг.2, в корпусе дисплейного модуля расположен радиочастотный приемопередатчик 48 с соответствующей антенной 50 и микропроцессор 52, который управляет работой дисплея 44.

На тыльной стороне корпуса дисплейного модуля 10 расположен фотоэлемент 54, который после соединения корпуса дисплейного модуля с корпусом измерительного модуля 12 оказывается расположен напротив окна 44 на лицевой стороне корпуса измерительного модуля 12. Фотоэлемент 54 соединен с миниатюрной аккумуляторной батареей 56, от которой работает дисплей и которая заряжается при достаточной силе направленного на фотоэлемент света.

Для зарядки источника питания дисплейного модуля 10 можно также использовать дополнительные или отдельные контакты и отдельный фотоэлемент или другое зарядное устройство.

В любом случае для безопасного использования предлагаемого в изобретении прибора во взрывоопасной атмосфере шахты и в других условиях в атмосфере, в которой могут содержаться горючие газы, корпус дисплейного модуля и корпус измерительного модуля должны быть надежно электрически изолированы друг от друга.

Предлагаемый в изобретении газоанализатор можно использовать и в собранном виде, когда дисплейный модуль соединен с измерительным модулем, и в разобранном виде, когда дисплейный модуль физически никак не связан с измерительным модулем. В любом случае выходные сигналы газовых датчиков 22 и 24 преобразуются схемой 26 обработки в данные о концентрации газов, и соответствующий сигнал передается беспроводным путем от измерительного модуля в дисплейный модуль. После обработки принятого сигнала данные о концентрации газов воспроизводятся на жидкокристаллическом дисплее 44. При наличии системы беспроводной связи между двумя модулями корпус дисплейного модуля можно отсоединить от корпуса измерительного модуля и установить измерительный модуль под кровлей шахты на верхнем конце стойки, а дисплейный модуль держать в руке и легко считывать с него необходимую информацию о концентрации в атмосфере шахты соответствующих газов.

При установке собранного газоанализатора в зарядное устройство лампа 42 освещает фотоэлемент 54, который выдает ток силой около 5 мА и напряжением около 5 В. Этого тока вполне достаточно для зарядки миниатюрной батареи никель-металлогидридных аккумуляторов, выдающей напряжение 3 В. Дисплей потребляет сравнительно небольшое количество энергии и поэтому может нормально работать от небольшой батареи.

Источник же питания измерительного модуля должен иметь сравнительно большую мощность и поэтому используемые для этой цели батареи напряжением 6 В и "емкостью" около 2 А·ч приходится заряжать непосредственно от зарядного устройства. Таким образом, предлагаемый в настоящем изобретении и описанный выше газоанализатор является достаточно универсальным и не требует использования для зарядки дисплейного модуля отдельного зарядного устройства или использования в качестве источника питания дисплея одноразовых батарей.

На фиг.6 показан второй вариант выполнения предлагаемого в изобретении газоанализатора. Предлагаемый в этом варианте газоанализатор имеет дисплейный модуль 58, на лицевой стороне корпуса которого расположен жидкокристаллический дисплей 60, на котором воспроизводится информация, полученная на основе сигнала от передатчика, расположенного в корпусе измерительного модуля 62, и четыре кнопки 64, которые предназначены для настройки газоанализатора и управления им, а также ввода в него необходимой исходной информации. На тыльной стороне корпуса измерительного модуля 62 расположены четыре газовых датчика 66. Корпуса дисплейного и измерительного модулей 58 и 62 можно механически соединить друг с другом с помощью взаимосопрягаемых (друг друга дополняющих) соединительных частей в виде выступов (шпунтов) и пазов (не показаны), расположенных на тыльной стороне корпуса дисплейного модуля 58 и лицевой стороне корпуса измерительного модуля 62. Принимая во внимание сложные условия работы под землей, для более прочного механического соединения корпусов дисплейного и измерительного модулей 58 и 62 можно использовать расположенные соответственно на их тыльной и лицевой сторонах магниты, такие как NdFeB.

В этом варианте осуществления изобретения измерительный модуль 62 и дисплейный модуль 58 работают от батарей, обычно от отдельных батарей никель-металлогидридных аккумуляторов. Еще одной особенностью этого варианта является изготовление тыльной стороны корпуса дисплейного модуля 58 и лицевой стороны корпуса измерительного модуля 62 из полупрозрачного материала. Внутренняя схема обоих модулей содержит определенное количество (не показаны) светодиодов, которые в аварийной ситуации загораются красным светом, который видит пользователь. В аварийной ситуации пользователь видит красный свет и в том случае, когда газоанализатор собран в единый блок, и в том случае, когда им пользуются в виде отдельного дисплейного модуля и отдельного измерительного модуля.

На практике для измерения концентрации газов в одном и том же месте иногда используют несколько предлагаемых в изобретении газоанализаторов. Влияние находящихся близко друг от друга газоанализаторов может привести к определенному снижению скорости передачи данных между соответствующими дисплейными модулями и измерительными модулями и, как следствие, к задержке в получении (по загоранию светодиодов) информации о наличии в шахте опасной концентрации газа. Помимо этого многолучевое распространение радиосигналов в преобладающих под землей условиях может существенно ограничивать скорость связи и может привести к искажению или повреждению передаваемой информации. Поэтому для повышения надежности передачи сигналов и снижения или исключения влияния друг на друга отдельных близлежащих газоанализаторов работа приемопередатчиков 28 и 48 предпочтительно должна быть основана на методе широкополосной связи (связи с использованием сигнала с расширенным спектром). Для этой же цели предпочтительно также использовать и различные способы кодирования или шифрования данных.

При работе с несколькими расположенными недалеко друг от друга дисплейными модулями/измерительными модулями существует возможность совестного использования ими данных. Так, например, данные, полученные датчиками определенного измерительного модуля, можно передавать на два или несколько дисплейных модулей. В предпочтительном варианте в измерительном модуле предусмотрена возможность регулировки пороговых значений получаемых данных, ниже которых полученные данные передаются только на определенный связанный с этим модулем дисплейный модуль. При повышении же концентрации газа сверх пороговой величины измерительный модуль передает широковещательный сигнал, который в качестве сигнала общей тревоги могут принимать все находящиеся в зоне его действия дисплейные модули. Такой широковещательный сигнал может отличаться от обычных передаваемых сигналов большей мощностью или может быть кодирован данными, идентифицирующими его как широковещательное сообщение.

В некоторых случаях может возникнуть необходимость в использовании одного измерительного модуля с несколькими дисплейными модулями или одного дисплейного модуля с несколькими измерительными модулями. В этих случаях единственный модуль можно запрограммировать как главный модуль, а другие модули - как подчиненные модули и использовать соответствующий протокол связи для опроса одним дисплейным модулем нескольких измерительных модулей или для передачи данных с одного измерительного модуля нескольким дисплейным модулям.

Обычно предлагаемый в изобретении газоанализатор работает следующим образом.

После отключения от зарядного устройства дисплейный модуль передает радиосигнал опроса всем находящимся рядом измерительным модулям. После идентификации измерительного модуля перед ближайшим к нему дисплейным модулем (обычно измерительным модулем, установленным непосредственно на корпусе дисплейного модуля) между ними устанавливается канал связи. Дисплейный модуль при этом работает как главный блок, а измерительный модуль - как подчиненный блок.

В ответ на сигнал запроса данных, выдаваемый дисплейным модулем каждые 200 миллисекунд, измерительный модуль по специальному протоколу связи передает на дисплейный модуль измеренные датчиками данные. Эти данные воспроизводятся на экране дисплейного модуля и сохраняются в его памяти.

По соответствующему запросу принятую дисплейным модулем информацию можно передать по каналу радиосвязи третьей стороне. Запрос на передачу данных, принятых дисплейным модулем, может поступать от одного или нескольких считывающих устройств. Такие считывающие устройства предпочтительно должны быть установлены под землей во всех стратегически важных точках шахты. В другом варианте данные с дисплейного модуля, установленного в зарядное устройство или в специальный док с функцией зарядки, можно также передавать по каналу радиосвязи или инфракрасной связи. Передаваемую информацию можно воспроизводить на центральном пульте, используя ее в квазиреальном масштабе времени для контроля концентрации газов во всей шахте.

Последовательность операций, выполняемых во время работы дисплейным модулем, показана на фиг.7, а операций, выполняемых измерительным модулем, - на фиг.8.

Изобретение относится к измерительной технике. В заявке описан газоанализатор, состоящий из измерительного модуля и дисплейного модуля, которые могут использоваться в физически соединенном друг с другом виде или отделенном друг от друга виде. В измерительном модуле расположены газовые датчики, которые измеряют концентрацию газа, например, при работе в шахте. Измерительный модуль передает измеренные датчиками данные беспроводным путем в дисплейный модуль, который воспроизводит принятые данные на дисплее. Один измерительный модуль может передавать информацию в несколько дисплейных модулей или, наоборот, один дисплейный модуль может принимать информацию от нескольких измерительных модулей. Технический результат - повышение точности газового анализа. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Газоанализатор, содержащий измерительный модуль и дисплейный модуль, причем измерительный модуль имеет первый корпус, по меньшей мере, один расположенный в первом корпусе газовый датчик, расположенное в первом корпусе измерительное устройство, способное по сигналу, по меньшей мере, от одного газового датчика выдавать сигнал, несущий информацию об измеренной концентрации газа, и расположенный в первом корпусе беспроводной передатчик, способный передавать сигналы, несущие информацию об измеренной концентрации газа, а дисплейный модуль имеет второй корпус, расположенный во втором корпусе беспроводной приемник, способный принимать сигналы, несущие информацию об измеренной концентрации газа, и закрепленный на втором корпусе дисплей для воспроизведения информации об измеренной концентрации газа, при этом первый и второй корпуса снабжены взаимосопрягаемыми соединительными частями, посредством которых корпуса могут быть разъемно соединены друг с другом, оставаясь электрически изолированными друг от друга, что позволяет использовать газоанализатор с измерительным модулем и дисплейным модулем в собранном друг с другом виде или физически отделенном друг от друга виде, и измерительный модуль выполнен с возможностью передачи дисплейному модулю обычных информационных сигналов, когда измеренная концентрация газа меньше пороговой величины, и передачи указанному дисплейному модулю и множеству других дисплейных модулей широковещательного сигнала, когда измеренная концентрация газа превышает пороговую величину, давая тем самым общий сигнал тревоги.

2. Газоанализатор по п.1, в котором расположенный в первом корпусе передатчик и расположенный во втором корпусе приемник представляют собой радиопередатчик и радиоприемник соответственно.

3. Газоанализатор по п.2, в котором работа передатчика и приемника основана на использовании техники широкополосной связи.

4. Газоанализатор по п.1, в котором в качестве источников питания используются соответствующие батареи, расположенные в первом и втором корпусах.

5. Газоанализатор по п.4, в котором в качестве источников питания используются аккумуляторные батареи, для зарядки которых предназначены расположенные, по меньшей мере, в первом корпусе контакты, которые при зарядке батареи или батарей, расположенных в обоих корпусах, соединяются с соответствующими контактами зарядного устройства.

6. Газоанализатор по п.5, в котором батарея или батареи, расположенные в первом корпусе, заряжаются одновременно с батареей или батареями, расположенными во втором корпусе, при соединенных вместе обоих корпусах.

7. Газоанализатор по п.6, в котором на соответствующих корпусах предусмотрены устройства передачи энергии, предназначенные для передачи от первого корпуса ко второму корпусу достаточной для зарядки расположенной в нем батареи или расположенных в нем батарей энергии, без необходимости обеспечения непосредственного электрического контакта между обоими корпусами.

8. Газоанализатор по п.7, который имеет расположенный в первом корпусе источник света, который включается при установке первого корпуса в зарядное устройство, и расположенный на втором корпусе фотоэлемент, который при соединении обоих корпусов располагается вблизи источника света.

9. Газоанализатор по одному из пп.1-8, в котором передаваемый измерительным модулем широковещательный сигнал имеет большую мощность, чем обычный информационный сигнал.

10. Газоанализатор по одному из пп.1-8, в котором передаваемый измерительным модулем широковещательный сигнал кодирован данными, идентифицирующими его как широковещательное сообщение.

11. Газоанализатор по п.10, в котором измерительное устройство выполнено регулируемым для возможности настройки величины пороговой концентрации газа.

12. Газоанализатор по п.1, в котором либо измерительный модуль можно выполнить в виде главного модуля, который в соответствии с определенным протоколом управляет связью между собой и множеством дисплейных модулей, либо наоборот.

13. Газоанализатор по п.1, в котором дисплейный модуль выполнен с возможностью передачи сигналов, несущих информацию об измеренной концентрации газа, по меньшей мере, одному считывающему устройству.