Переносной газоанализатор с беспроводным измерительным модулем Российский патент 2022 года по МПК G01N27/26 

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации уровня метана (СН₄), оксида углерода (СО), сероводорода (H₂S), объемной доли кислорода (О₂) в водопроводных и канализационных колодцах, а также в заглубленных водопроводных и канализационных насосных станциях и предназначено для обнаружения и мониторинга опасных газов в окружающем воздухе таких колодцев и станций. Также может применяться в следующих областях: на предприятиях жилищно-коммунального комплекса (коллекторы, котельные, тепловые сети и т.д.); службами по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий; на предприятиях нефтяной, газовой и угольной промышленности, топливно-энергетического комплекса. Кроме того, переносной газоанализатор с беспроводным измерительным модулем (газоанализатор БИМ) может применяться в отраслях промышленности, регламентирующих применение оборудования в подземных выработках шахт и рудников опасных по газу, во взрывоопасных зонах помещений и установок согласно ГОСТ 30852.13.2002 (МЭК 60079-14:1996).

В подавляющем большинстве водоочистные сооружения, канализационные станции и колодцы являются источником повышенной опасности для человека, в них технологически образовывается скопление опасных газов.

Известны такие газоанализаторы, как газоанализатор АНКАТ-7664 Микро ФГУП «Смоленское производственное объединение «Аналитприбор» https://www.analitpribor-smolensk.ru/products/bezopasnost_gazoanalizatory/perenosnye_gazoanalizatory/ankat_micro_pid/ и газоанализатор «СЕАН-П» ООО «Бюро аналитического приборостроения «Хромдет-экология» https://chromdet.ru/ru/produktsiya/product/view/1/69.

Однако эти технические решения не обеспечивают дистанционную работу газоанализатора, требуют нахождения индикационного модуля непосредственно в колодцах и резервуарах, а также не обеспечивают дистанционную передачу данных на пульт диспетчеризации для принятия оперативных решений.

Предложен переносной газоанализатор с беспроводным измерительным модулем (газоанализатор БИМ), представляющий собой прибор, составными частями которого являются измерительный (I) и индикационный (II) модули, которые выполнены полимерными и водонепроницаемыми.

Переносной газоанализатор БИМ предназначен для контроля и измерения концентрации газов в диапазонах, указанных в таблице.

Газоанализатор БИМ включает в себя:

Измерительный модуль (I) и индикационный модуль (II).

На Фиг. 1 представлена функциональная схема прибора «Газоанализатор БИМ» (отсек I-I и I-II, модуль II).

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема преобразователя по каналам CO/H₂S (отсек I-II).

На Фиг. 3 представлена принципиальная схема преобразователя по каналу СН₄ (отсек I-II).

На Фиг. 4 представлена принципиальная схема преобразователя по каналу О² (отсек I-II).

На Фиг. 5 представлена принципиальная схема измерительного модуля (отсек I-II).

На Фиг. 6 представлена принципиальная схема индикационного модуля (модуль II).

Каналы связи между модулями выбираются автоматически по результатам сканирования эфира в соответствии с программой ЭВМ, обеспечивающей работоспособность «Газоанализатора БИМ» и являющейся объектом самостоятельной защиты (в комплект «Газоанализатора БИМ» не входит).

Переносной газоанализатор БИМ содержит измерительный (I) и индикационный (II) модули, которые размещены в полимерных водонепроницаемых корпусах, связаны между собой беспроводной связью, обеспечивающей дистанционную работу газоанализатора, не требующие нахождения модуля индикации непосредственно в колодцах и резервуарах, а также обеспечивающие дистанционную передачу данных на пульт диспетчеризации для принятия оперативных решений.

Измерительный модуль выполнен из двух отсеков, первый отсек содержит электрохимические и инфракрасные датчики газов, второй отсек содержит печатные платы преобразователя, соединенные с датчиками газов, индикационный модуль связан с измерительным модулем беспроводной связью по протоколу nRF24101 для обмена данными, на корпусах измерительного и индикационного модулей расположены катушки беспроводных зарядных устройств, каждый из измерительного и индикационного модулей снабжен дисплеем, звуковой и световой индикациями.

Измерительный модуль содержит (Фиг. 1):

- отсек (I-I) с электрохимическими и инфракрасной ячейками (датчиками) 1А (датчик CO-AF), 1В (датчик MSH-P-HC/5/V/P/F 0-5%), 1С (датчик O2-A3), 1D (датчик GS+4H2S/DDS),

- отсек (I-II), который содержит печатные платы преобразователя 2, соединенные с датчиками 1А, 1В, 1С, 1D через герметичные разъемы, печатные платы преобразователя соединенные с платой микроконтроллера 3, который в свою очередь соединен с приемопередатчиком 4, соединенным с SD-картой 5 и платой распределения питания 6. Плата распределения питания 6, состоит из зарядного устройства для литиевых аккумуляторов с аккумулятором и беспроводного зарядного устройства, приемным устройством которого служит катушка беспроводного зарядного устройства.

Питание через стабилизатор на 3.3 вольта с платы распределения питания 6 поступает по шине питания на плату преобразователя 2 и плату микроконтроллера 3, соединенную с дисплеем прибора 7, звуковой 8 и световой 9 индикацией, вынесенными на переднюю панель корпуса газоанализатора БИМ, на задней панели прибора расположена катушка беспроводного зарядного устройства.

Индикационный модуль (II), расположенный в полимерном водонепроницаемом корпусе, состоит из аккумулятора и платы распределения питания с катушкой беспроводного зарядного устройства 6, соединенного шиной питания с платой микроконтроллера 3 и приемопередатчиком 4. Плата с микроконтроллером 3 соединена с дисплеем прибора 7, звуковым 8 и световыми 9 индикаторами, вынесенными на верхнюю панель. Индикационный модуль связан беспроводной связью 10 с измерительным модулем по протоколу nRF24101 для обмена данными. Свободное пространство корпуса предназначено для хранения, транспортировки и зарядки измерительного модуля за счет вмонтированной на дно корпуса катушки беспроводного (индукционного) зарядного устройства индикационного модуля. Таким образом, пока измерительный модуль находится в корпусе, происходит его подзарядка (Фиг. 1).

Исполнение корпуса измерительного модуля позволяет применять газоанализатор в колодцах и помещениях на крепеже, устанавливать на поверхности, использовать при перемещениях.

Измерительный модуль отправляет на индикационный модуль пакет данных, состоящий из измеренных величин, времени с блока RTC, температуры измерительного модуля. В ответ индикационный модуль отправляет пакет с отчетом-подтверждением о получении. Сигнал «Авария» индицируется, если сигнал с датчика выходит за пределы диапазона измерения прибора.

По устойчивости к воздействию температуры и влажности окружающей среды по ГОСТ Р 52931-2008 переносной газоанализатор БИМ соответствует группе С4 в диапазоне рабочей температуры от минус 30°С до плюс 50°С, имеет индикаторный канал температуры окружающей среды, предназначенный для контроля работоспособности прибора. По устойчивости к воздействию атмосферного давления соответствует группе Р1 по ГОСТ Р 52931-2008 в диапазоне давлений от 84 до 106,7 кПа.

Описание принципа работы газоанализатора БИМ.

Отсек I-I предназначен для установки и защиты датчиков 1А, 1В, 1С, 1D, а также имеет группы контактов для подключения этих датчиков к герметичному разъему. Каждый из датчиков подключается к каналу преобразования сигналов, расположенных на плате преобразователя.

Отсек I-II герметичный, служит для защиты схем прибора от попадания воды и пыли, сигнал с датчиков через герметичный разъем поступает на плату преобразователя.

По каналу CO/H₂S (Отсек I-II) датчик формирует сигнал постоянного тока, пропорциональный концентрации газа в воздухе проверяемой области (Фиг. 1). Принцип работы датчиков 1А (CO-AF) и 1D (GS+4H2SD) основан на электрохимической реакции, в которой при попадании (CO/H2S) через мембрану на поверхность чувствительного элемента происходит реакция окисления.

Резисторами R17, R21, R27 (R8, R12, R19) (Отсек I-II) задается смещение нуля для установки сигнала в диапазон нулевого значения, далее сигнал смещения усиливается (операционным усилителем) ОУ DA3.2 (DA6.2) (Фиг. 2).

Так же на резисторах R10, R16 (R2, R6) формируется опорный сигнал и усиленный сигнал с датчика 1А (1D) (сигнал с датчика поступает на ОУ DA2.2 (DA5.2) усиливается) поступают на ОУ DA2.1 (DA5.1), где из опорного сигнала вычитается усиленный сигнал с датчика (Отсек I-II). Результирующий сигнал поступает на ОУ DA3.1 (DA6.1), в обратную связь которого подключен термистор R44 (R39) для компенсации температурного смещения сигнала. На ОУ DA3.3 (DA6.3) происходит суммирование результирующего сигнала с сигналом смещения нуля и итоговый сигнал через ОУ DA3.4 (DA6.4) подается на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера (Фиг. 2).

В инфракрасном датчике 1B (MSH-P-HC/5/V/P/F 0-5%), принцип измерения по каналу СН₄ основан на том, что многие газы поглощают инфракрасные лучи. Каждый газ имеет свой определенный спектр поглощения. Сенсор состоит из источника ИК-света и датчика, между которыми установлены оптический фильтр и измерительная ячейка. Поступая в измерительную ячейку, газ поглощает некоторое количество инфракрасного света, а датчик при этом фиксирует снижение интенсивности поступающего ИК-света и на базе калибровочной кривой генерирует выходной сигнал. Сигнал поступает на ОУ DA1.3 и ОУ DA1.4, где усиливается и поступает на аналогово-цифровой преобразователь. Так же в схеме предусмотрена возможность использования термокаталитического датчика 1B (CH-D3), для этого датчик MSH-P-HC/5/V/P/F 0-5% заменяется на датчик CH-D3 и на преобразователе сигнала переключаются перемычки S3 и S4 в соответствующее положение, принцип работы которого основан на вычислении количества тепла, выделяемого при сгорании горючего газа или паров в катализаторе. Термокаталитический датчик CH-D3 состоит из двух чувствительных элементов - рабочего и компенсирующего. Рабочий элемент представляет собой спираль из драгоценного металла (как правило, платины) и катализатора, чувствительного к горючим газам. Воздушная смесь, содержащая горючий газ, вступает в реакцию с катализатором, увеличивая температуру элемента, и, как следствие, приводит к изменению электрического сопротивления спирали в почти линейной зависимости от концентрации газа. Компенсирующий элемент состоит из платиновой спирали и стекла, которое не обладает чувствительностью к горючим газам, и предназначен для компенсации окружающих условий. Для этого устанавливаются перемычки, и сигнал поступает на ОУ DA1.2, где происходит суммирование сигнала смещения нуля и сигнала с датчика. На ОУ DA1.1 формируется сигнал смещения нуля. Результирующий сигнал усиливается на ОУ DA1.3 и ОУ DA1.4 и поступает на АЦП микроконтроллера 3 (Фиг. 3).

По каналу О₂ принцип работы сенсора 1С (O2-А3) основан на электрохимической реакции, в которой при попадании кислорода через мембрану на поверхность чувствительного элемента происходит реакция восстановления кислорода (О₂). Сенсор кислорода вырабатывает токовый сигнал, пропорциональный концентрации кислорода в воздухе исследуемой области. Далее токовый сигнал с датчика поступает на первый операционный усилитель DA4.1, где за счет включенного в цепь обратной связи усилителя термистора R15 происходит компенсация температурного смещения сигнала, после чего сигнал усиливается на втором операционном усилителе DA4.2, за счет переменного сопротивления R26 сигнал смещается относительно нуля для коррекции сигнала перед подачей его на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера 3 (отсек I-II) (Фиг. 4).

Описание принципа работы измерительного модуля (отсек I-I и I-II).

Сигналы, полученные с платы преобразователя 2, поступают на аналогово-цифровой преобразователь микроконтроллера 3, пересчитываются из аналоговых значений в цифровые (Фиг. 1). Полученные цифровые значения записываются в память микроконтроллера, затем поступают в обработку, из них формируется пакет данных и по шине SPI передаются в блок nRF24101 для отправки на индикационный модуль по защищенному каналу. Далее цифровые значения преобразуются в значения концентраций газов, сравниваются с величинами пороговых значений и им присваиваются состояния: «Норма», «Порог1», «Порог2», «Авария», которые по шине I2C передаются на OLED дисплей SSD1306 для отображения. При попадании значения в диапазон «Порог 1», «Порог 2», «Авария» формируется пакет данных, в который записывается время события, значения концентрации газов и состояние прибора и записывается по шине SPI на SD-карту памяти. Так же при этом выводится дополнительная световая и звуковая сигнализация. Все действия микроконтроллер выполняет автоматически в соответствии с заложенной в него программой. Сообщение «Вода» выводится на дисплей и включается непрерывный звуковой сигнал при попадании воды на контакты датчика D1 (Фиг. 5).

Для работы микроконтроллера необходимо тактирование кварцевым резонатором частотой 8 МГц, для работы блока RTC микроконтроллера и обеспечения его функционирования пока прибор выключен применяется кварцевый резонатор частотой 32,768 кГц и батарея на 3 В.

Зарядка прибора осуществляется за счет беспроводного модуля на базе микросхемы приемника Т31681, которая преобразует полученную энергию в постоянное напряжение и через микросхему заряда ТС4056 поступает на аккумулятор.

Описание принципа работы индикационного модуля (II) (Фиг. 6).

Для работы микроконтроллера 3 необходимо тактирование кварцевым резонатором частотой 8 МГц. Измерительный модуль получает по шине SPI цифровые значения от измерительного модуля и записывает их в память микроконтроллера. Затем цифровые значения преобразуются в значения концентраций газов, сравниваются с величинами пороговых значений и им присваиваются состояния: «Норма», «Порог 1», «Порог 2», «Авария». По шине I2C состояния передаются на OLED дисплей SSD1306 для их отображения. Так же при этом выводится дополнительная световая и звуковая сигнализация. Сообщение «Вода» выводится на дисплей, и включается непрерывный звуковой сигнал при попадании воды на контакты датчика D1 измерительного модуля. Так же имеется разъем для подключения индикационного модуля к персональному компьютеру для передачи информации на дистанционно удаленный пульт диспетчера с использованием дополнительного программного обеспечения (являющейся объектом самостоятельной защиты, в комплект «Газоанализатора БИМ» не входит).

Индикационный модуль заряжается через разъем питания. Получаемая энергия через микросхему ТС4056 поступает на аккумуляторы и через блок беспроводного заряда на базе микросхемы ХКТ-510 передается для заряда измерительного модуля.

Пример эксплуатации прибора - измерение газоанализатором БИМ состояния воздушной среды в канализационном колодце.

Перед началом работы необходимо провести внешний осмотр прибора, удостовериться в наличии пломб, отсутствии внешний повреждений. Затем Газоанализатор БИМ необходимо разместить на горизонтальной поверхности. Включение прибора происходит путем нажатия кнопки «Питание». После включения запускается программа самодиагностики, результаты проведения которой выводятся сообщением на дисплее.

После прохождения диагностической программы на дисплее отображаются измеряемые величины, индикация состояния аккумуляторной батареи, индикация состояния соединения модулей по радиоканалу и символ наличия SD-карты памяти. В случае если при самодиагностике выявляется неисправность какого-либо канала контроля: недопустимая температура окружающей среды, низкий заряд аккумуляторной батареи, - на дисплей выводится соответствующее сообщение, прибор автоматически завершает работу. Если измерительному модулю не удалось установить связь с индикационным модулем, на дисплей будет выведено соответствующее сообщение и предложено продолжить попытки установить связь или продолжить работу в режиме индивидуального носимого газоанализатора. В данном режиме работы передача данных по радиоканалу не осуществляется. При отсутствии карты памяти прибор выведет на дисплей соответствующее сообщение.

После проведения диагностики измерительный модуль необходимо опустить вдоль вертикальной оси колодца, закрепив его на тросе, не допуская ударов измерительного модуля о стенки колодца и скручивания троса. Измерение концентрации газов в колодцах происходит в течение 1-2 минут. Только после истечения этого времени и отсутствия сигналов «Порог 1» или «Порог 2» разрешается приступать к работам. После спуска в колодец работника, производящего работу, измерительный модуль газоанализатора БИМ должен быть зафиксирован в колодце на уровне груди работающего или должен быть закреплен на одежде на уровне груди работающего.

При изменении концентрации любого из контролируемых газов и достижении первого порогового значения происходит включение коротких прерывистых звуковых сигналов, выдаваемых излучателями газоанализатора. Одновременно начинает мигать красный индикатор «Предупреждение» на обоих модулях.

При достижении концентрации любого из контролируемых газов второго порогового значения происходит включение прерывистого звукового сигнала, выдаваемого излучателями прибора, а также непрерывного светового сигнала «Предупреждение» на обоих модулях.

При поступлении сигнала «Порог 1» или «Порог 2» по любому каналу контроля работникам следует покинуть место проведения работ. Информация о концентрации измеряемых газов при помощи специального программного обеспечения передается на дистанционный диспетчерский пункт для оперативного управления.

После окончания работы с газоанализатором БИМ его необходимо выключить, извлечь измерительный модуль из колодца, очистить все части прибора и трос от грязи и влаги, аккуратно уложить измерительный модуль и трос в корпус прибора и закрыть крышку. Для выключения газоанализатора БИМ необходимо нажать кнопку «Питание».

Зарядка аккумуляторного блока производится в стационарных условиях в течение 4 часов с помощью зарядного устройства, входящего в комплект газоанализатора БИМ.

Преимуществами газоанализатора БИМ по сравнению с известными газоанализаторами аналогичного назначения являются:

1. Беспроводная связь, которая обеспечивает надежный сигнал передачи данных на расстояние 100 метров прямой видимости и 30 метров в помещении (до 1 км при использовании приемника и передатчика с усилителем сигнала).

2. Дополнительные АКБ и возможность подзарядки измерительного модуля за счет модуля индикации увеличивают время автономной работы.

3. Использование высококонтрастных OLED дисплеев позволяет снизить энергопотребление и облегчить считывание значений с них.

4. Вынос ЭХИЯ в отдельную камеру позволяет защитить измерительную, индикационную и энергетическую части измерительного модуля от попадания влаги и пыли, чтобы продлить срок службы и уменьшить стоимость ремонта прибора, а также облегчить замену датчиков при выходе их из строя, например, при попадании воды.

5. Возможность эксплуатации измерительного модуля как носимого индивидуального газоанализатора без потери функциональности прибора.

6. Возможность дистанционного соединения с пультом диспетчеризации путем применения специального программного обеспечения для передачи данных на персональный компьютер.

Весь комплекс решений используемых в переносном газоанализаторе БИМ позволяет сократить количество и длительность ремонтов (примерно в 2 раза). Кроме получаемого экономического эффекта за счет экономии на запасных частях для ремонта и, как следствие, снижения стоимости обслуживания прибора в целом, сокращается время простоя рабочих аварийно-восстановительных бригад, для которых обязательным требованием является непрерывный контроль газовой среды в месте производства работ.

Изобретение относится к устройствам для определения концентрации уровня метана (СН₄), оксида углерода (СО), сероводорода (H₂S), объемной доли кислорода (О₂) в водопроводных и канализационных колодцах, а также в заглубленных водопроводных и канализационных насосных станциях и предназначено для обнаружения и мониторинга опасных газов в окружающем воздухе таких колодцев и станций. Переносной газоанализатор с беспроводным измерительным модулем (газоанализатор БИМ) включает измерительный и индикационный модули, связанные между собой беспроводной связью, измерительный и индикационный модули выполнены в отдельных корпусах, при этом корпуса выполнены полимерными и водонепроницаемыми, измерительный модуль выполнен из двух отсеков, первый отсек содержит электрохимические и инфракрасные датчики газов, второй отсек содержит печатные платы преобразователя, соединенные с датчиками газов, индикационный модуль, связан с измерительным модулем беспроводной связью по протоколу nRF24101 для обмена данными, на корпусах измерительного и индикационного модулей расположены катушки беспроводных зарядных устройств, каждый из измерительного и индикационного модулей снабжен дисплеем, звуковой и световой индикациями. Изобретение обеспечивает беспроводную надежную связь на расстоянии 100 метров прямой видимости и 30 метров в помещении, увеличенное время автономной работы, а также снизить энергопотребление и облегчить считывание показаний. 1 табл., 6 ил.

Переносной газоанализатор с беспроводным измерительным модулем (газоанализатор БИМ), включающий измерительный и индикационный модули, связанные между собой беспроводной связью, измерительный и индикационный модули выполнены в отдельных корпусах, отличающийся тем, что корпуса выполнены полимерными и водонепроницаемыми, измерительный модуль выполнен из двух отсеков, первый отсек содержит электрохимические и инфракрасные датчики газов, второй отсек содержит печатные платы преобразователя, соединенные с датчиками газов, индикационный модуль связан с измерительным модулем беспроводной связью по протоколу nRF24101 для обмена данными, на корпусах измерительного и индикационного модулей расположены катушки беспроводных зарядных устройств, каждый из измерительного и индикационного модулей снабжен дисплеем, звуковой и световой индикациями.