Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана Советский патент 1986 года по МПК E21F17/18 

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим системам и средствам газовой защиты, их метрологическому обеспечению, и может быть использовано при поверке и настройке всех видов шахтных сигнализаторов метана.

Целью изобретения является повышение точности и быстродействия измерения погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора метана на стенде.

На фиг. представлена блок-схема стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана; на фиг. 2 - схема электронного регулятора; на фиг. 3 - схема задатчика концентрации метана; на фиг. 4 - схема блока обработки информации.

В состав стенда входят баллон 1 с поверочно-газовой смесью, который через газовый кран 2, газовый смеситель 3 соединен с входом проточной реакционной ячейки 4, представляющей собой камеру малого объема, в которой расположен термокаталитический датчик 5 образцового метанометра 6, выполненного, например, в виде милливольтметра. Выход ячейки соединен через расходомер 7 с присоединительной насадкой 8 для подключения поверяемого сигнализатора 9. Емкость 10 с метаном присоединена к камере 11 для метановоздушной смеси, которая через побудитель 12 расхода газа (вибрационный микрокомпрессор) соединяется с газовым краном 2 и через него связана с газовым смесителем 3, выход которого соединен с проточной реакционной ячейкой 4 и через нее с расходомером 7 и присоединительной насадкой 8.

Регулируемый побудитель 13 расхода воздуха с электронным регулятором 14 расхода соединен с газовым смесителем 3. Выход образцового метанометра 6 подключен к первому входу блока 15 сравнения, к второму входу которого подсоединен задатчик 16 концентрации метана. Выход блока 15 сравнения подключен к электронному регулятору 14. Блок 17 обработки информации своим первым входом подсоединен к образцовому метанометру 6, а к его второму входу подключен датчик 18 включения сигнализации поверяемого сигнализатора 9.

Электронный регулятор 14 с ПИД-законом собран на операционных усилителях (ОУ). Регулятор включает интегратор 19 и дифференциатор 20, подключенные к сумматору 21 на ОУ, который соединен с входом усилителя мощности на транзисторе 22.

Задатчик 16 концентрации метана является аналоговым функционным генератором и состоит из потенциометра R, задающего уставку по концентрации в режиме стабилизации, и генератора линейно изменяющегося напряжения 23, выполненного на операционных усилителях, вырабатывающего линейно нарастающее напряжение в режиме программного регулирования.

Блок 17 обработки информации включает в себя известную микроЭВМ и состоит из последовательно соединенных усилителя 24, амплитудного детектора 25, триггера 26 Шмитта, выход которого подключен к одному из входов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 27 микроЭВМ блока 17. К второму входу ОЗУ 27 присоединен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 28. Выход ОЗУ 27 подключен к одному из входов арифметико-логического устройства (АЛУ) 29, к второму входу которого подключен выход перепрогра.ммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) 30 микроЭВМ. Выход АЛУ 29 соединен с блоком 31 цифропечати.

Стенд работает следующим образом.

Образцовый метанометр 6 калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает на термокаталитический датчик 5 из баллона 1 через газовый кран 2, газовый смеситель 3, проточную ячейку 4, где расположен датчик 5 и расходомер 7. Затем, подавая метан из емкости 10 в камеру 11, приготавливают метановоздушную смесь. Полученная метановоздушная смесь подается из камеры 11 с помощью побудителя 12 расхода газа через газовый кран 2, газовый смеситель 3 к проточной реакционной ячейке 4. Воздух из окружающей атмосферы с помощью регулируемого электронным регулятором 14 побудителя 13 расхода воздуха поступает к газовому смесителю 3, куда также поступает метановоздушная смесь из ка-меры 11.

Разбавленная воздухом метановоздушная смесь с выхода смесителя 3 поступает к проточной реакционной ячейке 4 и аттестуется образцовым метанометром 6, датчик 5 которого находится в указанной ячейке. Далее аттестованная метановоздушкая смесь через расходомер 7, присоединительную насадку 8 поступает к поверяемому шахтному сигнализатору 9 метана. Поскольку объем газового смесителя 3 очень мал, то процесс приготовления смеси происходит весьма быстро.

Чтобы уменьшить время переходного процесса установления заданной величины концентрации метана для повышения быстродействия стенда и уменьшить искажение заданного закона изменения концентрации метана во времени, объем проточной реакционной ячейки 4, присоединительной насадки 8 поверяемого сигнализатора 9, расходомера 7 и подводящих трубок, образующих газовый тракт стенда, также должен быть очень малым.

Метановоздушная смесь (МВС) с концентрацией С1 метана поступает из камеры И с помощью побудителя 12 расхода на газовый смеситель 3 и далее в проточную ячейку 4 к датчику 5 метана образцового метанометра 6. На выходе образцового метанометра 6 будет значение напряжения Uc,, пропорциональное концентрации метана на датчике 5 (т. е. С1). Это напряжение поступает на блок 15 сравнения. При работе в режиме стабилизации содержания метана на блок 15 сравнения с выхода блока 16 задат чика поступает портоянное во времени значение напряжения Uc2.. пропорциональное заданной концентрации С2 метана, причем . Коэффициент пропорциональности выбран так, чтобы 1 об. °/о метана в МВС соответствовал 1 В напряжения на выходе блока 16 (точно так же выбран и коэффициент передачи образцового метанометра 6). На выходе блока 15 сравнения будет разность напряжений с выхода метанометра 6 и выхода блока 16. Реализуется блок 15 сравнения на известном дифференциальном усилителе, собранном на базе операционного усилителя. Разность , напряжений является напряжением ошибки или рассогласования. Чем больше напряжение с выхода метанометра 6 отличается от напряжения с блока 16 (оно является заданной величиной или уставкой по концентрации), тем больше напряжение ошибки. Оно вычисляется по формулели, K(Uei-Uc2),(1) где К - коэффициент передачи блока 15 сравнения. Он может быть выбран равным 1. Напряжение ошибки поступает на электронный регулятор 14, который формирует по выбранному закону управляющее воздействие, поступающее на побудитель 13 расхода воздуха 13. Может быть выбран известный стандартный ПИД-закон регулирования (пропорционально-интегрально-дифференциальный), поскольку ПИД-закон позволяет получить заданную точность приготовления МВС, быстродействие при установлении показания и значение перерегулирования. Дифференциальная составляющая закона регулирования необходима для повышения быстродействия, а интегральная - точности САР стенда. Напряжение на выходе электронного регулятора 4 Un (t) описывается выражением, соответствующим ПИД-закону регулирования (3) Un(t) (t) ) +r.Ju,(t)dt, где TO, г, ,-r.i - коэффициенты передачи пропорциональной, дифференциальной и интегральной составляющих электронного ПИД-регулятора 14 соответственно. При увеличении напряжения uUc ошибки напряжение на побудителе 13 расхода согласно формуле (2) увеличивается, поэтому увеличивается расход воздуха, поступающего на смеситель 3, и концентрация метана на выходе смесителя уменьшается, что приводит к уменьшению концентрации метана на датчике 5 и соответственно к уменьшению напряжения Uci на выходе образцового метанометра. Поэтому ошибки, согласно формуле (1), будут уменьшаться за счет отрицательной обратной связи. Это приводит к тому, что после переходного процесса происходит отработка заданной уставки на блоке 16 по концентрации С2, и образцовый метанометр будет выдавать напряжение, близкое по величине к Ucz- Так как в ПИД-регуляторе содержится интегрирующее звено, то точность приготовления очень высока, теоретически в установившемся режиме ошибка лУ,.. равна нулю, однако из-за неидеальности интегратора, погрешность д С приготовления в эксперименте получается для заданного значения С2 1,00% объема СН на задатчике (блок 16), равной ,03°/о объема СН, т. е. на выходе образцового метанометра 6 стенда будет 1,03% объема СН,. Погрешность приготовления концентрации метана в предложенном стенде составляет 0,03-0,05% объема СН . Причем концентрация метана, которая поступает на поверяемый метанометр 6 через расходомер 7 и присоединительную насадку 8 может быть наперед задана с помощью потенциометра R задатчика 16 (фиг. ). Задатчик 16 по заданной программе вырабатывает управляющее воздействие в виде: а) напряжения постоянной величины, б) линейно нарастающего во времени напряжения. Режим а) соответствует режиму стабилизации концентрации метана во времени автоматического регулятора стенда. Режим б) соответствует режиму программного регулирования, когда концентрация метана, поступающего к насадке 8, во времени повторяет вид задающей функции б). Выбор указанных режимов осуществляется оператором путем переключения задатчика 16 на соответствующие режимы а) или б). Режим а) необходим для определения погрешности измерения шахтного сигнализатора метана путем сравнения (определения разности) показаний образцового метанометра 6 и поверяемого сигнализатора 9. Режим б) необходим для автоматического измерения концентрации метана, при которой срабатывает аварийная сигнализация щахтного сигнализатора 9, путем подачи к его датчику 18 линейно нарастающей концентрации метана. В стенде предусмотрена возможность автоматического определения погрешности срабатывания аварийной сигнализации щахтного сигнализатора 9. Для этого задатчик 16 переключается в режим б). При этом с его выхода на блок 5 сравнения поступает линейно нарастакнцес во времени напряжение. В режиме программного регулирования концентрация метана, поступающего к насадке 8 поверяемого сигнализатора 9, повторяет указанную функцию времени на выходе блока 16. Когда концентрация метана, подводимого к насадке 8, нарастая, достигнет пороSга срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора 9, то у него включится звуковая и световая сигнализация. При этом датчик 18 включения сигнализации реагирует на звуковой сигнал (датчиком является микрофон), и напряжение с его выхода поступает к входу блока 17 обработки информации. На второй вход блока 17 через АЦП 28 поступает значение концентрации метана с выхода образцового метанометра 6. При появлении сигнала от датчика 18 на входе блока 17 схема формирования, образованная усилителем 24, амплитудным детектором 25 и триггером 26 Шмитта, выдает импульс записи, который поступает к ОЗУ 27 микроэвм блока 17. При этом происходит запись в ОЗУ концентрации метана образцового метанометра 6, которая поступает в ОЗУ через АЦП 28. АЛУ 29 микроЭВМ производит вычисление погрешности срабатывания сигнализатора 9 путем определения разности между измеренным значением концентрации, записанным в ОЗУ, и задан.ным значением концентрации, при которой должна срабатывать сигнализация. Последняя величина записывается в ППЗУ 30 микроЭВМ. Указанная погрешность выводится на цифропечать блока 31 микроЭВМ вместе с номером поверяемого сигнализатора, который вводится в машину с клавиатуры. С помошью стенда можно производить также разбраковку поверяемых сигнализаторов по погрешности срабатывания сигнализации. Это повышает точность и быстродействие поверки погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора, так как уменьшена погрешность приготовления смеси, а процесс измерения автоматизирован. Точность измерения погрешности срабатывания сигнализации определяется теперь только погрешностью образцового метанометра и составляет ±0,1% объема CHi/, что обеспечивает тройной метрологический запас. Быстродействие поверки возрастает примерно в 3 раза и составляет для одного сигнализатора порядка 1-2 мин. Кро.ме того, в стенде обеспечивается автоматическое управление и регулирование процессом приготовления аттестованной МВС, что также повышает быстродействие поверки шахтных сигнализаторов. Одновременно формируется заданный закон изменения концентрации метана (или поддержание постоянства этой величины во времени).

СТЕНД ДЛЯ ПОВЕРКИ И НА СТРОЙКИ Ш.АХТНЫХ СИГНАЛИЗАТО РОВ /VVETAHA, содержащий камеру для метановоздушной смеси, к входу которой подключена емкость с .метаном, а выход через побудитель расхода метановоздушной смеси соединен с газовым краном, подключенным к баллону с поверочно-газовой смесью, образцовый метанометр с термокаталитическим датчиком метана, размещенным в про точной реакционной ячейке, выход которой соединен с расходомером, соединенным с присоединительной насадкой для подключения поверяемого щахтного сигнализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора метана, он снабжен газовым смесителем, побудителем расхода атмосферного воздуха, электронным регулятором расхода воздуха, блоком обработки информации, задатчиком концентрации- метана, датчиком включения сигнализации шахтного сигнализатора метана и блоком сравнения, приче.м выход образцового метанометра подключен к первым входам блока обработки информации и блока сравнения, к вторым входам которых подключены соответственно выходы датчика включения сигнализации шахтного сигнализатора метана и задатчика концентрации метана, выход блока сравнения подключен к входу электронного регулятора расхода воздуха, соединенного с побудителем расхода атмосферного воздуха, выход которого и выход газового крана подключены к входам газового смесителя, а его выход соединен с входом проточной реакционной ячейки.

/5

К 5локу сраёнения Я

Фаг.З

От образцового метанометра 6

Фае.