Электронный регулятор расхода воздуха стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана Советский патент 1987 года по МПК E21F17/18 

пороговый элемент (ПЭ) 26. К выходам ДН 24 и ПЭ 26 подключены входы элемента 28 совпадения, Его выход соединен с управляющим входом ключевого элемента 21, по сигналу с которого через параллельно подключенную к нему емкость 20 включается или отключается интегратор 19. Вход ПЭ 26 подключен к выходу С 23 и входу усилителя 27 мощности. На вход С 23 регулятора 14 через усилитель 25 подключен выход блока 15 сравнения текущей и заданной концентрахдай метаИзобретение 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 быстродействия поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана путем ускорения процесса приготовления. метановоздушной смеси заданной кон- центра)ции.

На фиг.1 изображена блок-схема электронного регулятора в составе стенда; на фиг.2 - временные диаграммы работы электронного регулятора.

В состав стенда входят б;1ллон 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, вьтолненного в виде милливольтметра. Выход ячейки соединен через расходомер 7 с присоединительной насадкой 8 дпя подключения поверяемого сигнализатора 9.

Для повышения быстродействия стенда объем смесителя 3, проточной ячейки 4, расходомера 7, присоединительной насадки 8 и подводящих трубок, .образующих газовьй тракт стенда, должен быть малым. Датчик 5 с этой

на. Сигналом ошибки с блока 15 через дифферендиатор 22, ДН 24 и элемент 28 включается ключ, а через ПЭ 26 и эле-мент 28 он отключается. Порог срабатывания ПЭ 26 меньше, чем напряжение на выходе С 23 в установившемся режиме.До срабатывания ПЭ 26 и включения интегратора 19 регулятор 14 работает с ПД - законом регулирования в начале переходного процесса. В установившемся режиме регулятор 14 работает с ПИД - законом регулирования. 2 ил.

O

5

же целью выбирается с малой постоянной времени. Емкость 10 с метаном присоединена к камере 11 для метановоздушной смеси, которая через побудитель 12 расхода метановоздушной смеси (вибрационный микрокомпрессор) соединена с газовым краном 2 и через него связана с газовым смесителем 3, выход которого подключен к проточной реакционной ячейке 4 и через нее соединен с расходомером 7 и присоединительной насадкой 8. Побудитель 13 расхода атмосферного воздуха (аналогичен побудителю 12) соединен с выходом электронного регулятора 14 расхода воздуха и подключен к газовому смесителю 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 входу электронного регулятора 14 расхода воз духс1. Блок 17 обработки информации СБОИМ первым входом подсоединен к выходу образцового метанометра 6, а к его второму входу подключен датчик 18 включения сигнализации поверяемого шахтного сигнализатора 9. В состав электронного регулятора Т4 расхода воздуха входит интегратор 19, к интегрирующей емкости 20 которого парсшлельно подключен ключевой элемент 21. Дифференциатор 22 своим вы5 ходом подключен к одному из трех вхо- дов сумматора 23 и к входу детектора 24 нуля. К двум другим входам сумма0

0

313

тора 23 подключены выход интегратора 19 и выход блока 15 сравнения через усилитель 25, к выходу блока 15 подсоединены также входы интегратора 19 и дифференциатора 22. К выходу сумматора 23 подключены входы порогового элемента 26 и усилителя 27 мощности. Выход усилителя 27 мощности подсоединен к побудителю 13 расхода ат

мосферного воздуха, выходы детектора 10 чено перепрограммируемое запоминающее 24 нуля и порогового элемента 26 под- устройство (ППЗУ) микроЗВМ. К выходу ключены к входам элемента 28 совпадения, выход которой подключен к управляющему входу ключевого элемента 21..

Интегратор 19, дифференциатор 22, сумматор 23, .усилитель 25 представляют собой известные элементы,собранные на операционных усилителях (ОУ).СумАЛУ подключен блок цифропечати микро- ЭВМ.

Стенд работает следующим образом.

Образцовьм метанометр 6 калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает на термокаталитический датчик 5 из баллона 1 через

матор 23 и усилитель 25 являются ин- 20 зовый кран 2, газовый смеситель 3,

проточную ячейку 4, где расположен датчик 5, и расходомер 7. Затем, подавая метан из емкости 10 в камеру 115 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 ячейке 4 и поступает к датчику 5 образиового метан;:1-.;етра 6, при этом его показания начинают возрастать во времени до величины концентрации метана С( в этой смеси. На выходе метанометра 6 есть значение

вертирующими. Усилитель 27 мощности собран на транзисторе и также является известным элементом. Усилитель 25 введен как вспомогательный элемен для усиления напряжения на входе сумматора 23.

Ключевой элемент 21 выполнен на полевом транзисторе, сток и исток которого подключены к интегрирующей емкости 20, а затвор подключен к вы- ходу схемы 28 совпадения.

Детектор 24 нуля представляет собой нуль-орган, выполненный на ОУ.

проточную ячейку 4, где расположен датчик 5, и расходомер 7. Затем, подавая метан из емкости 10 в камеру 115 приготавливают метановоздушную смесь. Полученная метановоздушная смесь подается из камеры 11 с помощь побудителя 12 расхода газа через газовый кран 2, газовый смеситель 3 к проточной ячейке 4 и поступает к датчику 5 образиового метан;:1-.;етра 6, при этом его показания начинают возрастать во времени до величины концентрации метана С( в этой смеси. На выходе метанометра 6 есть значение

Пороговый элемент 26 является триггером Шмитта.35 зпРЯ к я U, , пропорциональное кон

Элемент 28 совпадения является логическим элементом 2И. Блок 15 сравцентрации метана на датчике 5, т.е. С|. Это напряжение поступает на первый вход блока 15 сравнения. При работе стенда в режиме стабилизации со держания метана на второй вход блока 15 сравнения с выхода задатчика 16 концентрации метана поступает постоянное напряжение U,, , пропорциональнения является известным дифференциальным усилителем, собранным на ОУ.

Задатчик 16 концентрации метана является аналоговым функциональным генератором и содержит потенциометр, задающий уставку по концентрации ме

тана в режиме стабилизации и генера- 5 -г. меньше С. Коэффициент пропорциотор линейно изменяющегося напряжения, собранного на ОУ, вьфабатывающе- го линейно нарастающее напряжение в режиме программного регулирования,

нальности метанометра 6 и задатчика 16 выбран равным 1 В/% об. . На выходе блока 15 сравнения формируется напряжение ошибки, равное разности

который используется для автоматиче- rg напряжений с выхода метанометра 6 и

задатчика 16. Оно имеет положительну полярность, поскольку Up больше Uj; и возрастает в начале переходного процесса. Напряжение ошибки поступает с выхода блока сравнения на вход электронного регулятора 14, который формирует управляющее воздействие (закон регулирования),,поступающее на побудитель 13рассода воздух

ского определения сигнальной концентрации шахтного сигнализатора.

Блок 17 обработки информации имеет микроэвм и цепь формирования сигнала записи, подключенную к выходу датчика 18 включения сигнализации (микрофон), которая состоит из по- следовательно соединенных усилителя амплитудного детектора и триггера

Имитта, выход которого подключен к одному из входов оперативно1 о - апоми- нающего стройства (ОЗУ) микрсЭВМ. К второму входу ОЗУ подключен АЦП, который подключен к выходу образцового метанометра 6. Выход ОЗУ подключен к одному из входов арифметико- ло1 ического устройства (АЛУ) микро- ЭВМ, к второму входу которого подключено перепрограммируемое запоминающее устройство (ППЗУ) микроЗВМ. К выходу

АЛУ подключен блок цифропечати микро- ЭВМ.

Стенд работает следующим образом.

Образцовьм метанометр 6 калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает на термокаталитический датчик 5 из баллона 1 через

зовый кран 2, газовый смеситель 3,

проточную ячейку 4, где расположен датчик 5, и расходомер 7. Затем, подавая метан из емкости 10 в камеру 115 приготавливают метановоздушную смесь. Полученная метановоздушная смесь подается из камеры 11 с помощь побудителя 12 расхода газа через газовый кран 2, газовый смеситель 3 к проточной ячейке 4 и поступает к датчику 5 образиового метан;:1-.;етра 6, при этом его показания начинают возрастать во времени до величины концентрации метана С( в этой смеси. На выходе метанометра 6 есть значение

зпРЯ к я U, , пропорциональное кон

зпРЯ к я U, , пропорциональное кон

центрации метана на датчике 5, т.е. С|. Это напряжение поступает на первый вход блока 15 сравнения. При работе стенда в режиме стабилизации содержания метана на второй вход блока 15 сравнения с выхода задатчика 16 концентрации метана поступает постоянное напряжение U,, , пропорциональL2

ное концентрации метана С, причем

-г. меньше С. Коэффициент пропорциональности метанометра 6 и задатчика 16 выбран равным 1 В/% об. . На выходе блока 15 сравнения формируется напряжение ошибки, равное разности

напряжений с выхода метанометра 6 и

задатчика 16. Оно имеет положительную полярность, поскольку Up больше Uj; и возрастает в начале переходного процесса. Напряжение ошибки поступает с выхода блока сравнения на вход электронного регулятора 14, который формирует управляющее воздействие (закон регулирования),,поступающее на побудитель 13рассода воздуха

Закон регулирования определяется предложенной структурой электронного регулятора и формируется следующим образом.

Напряжение ошибки в момент подачи смеси на датчик 5 положительно. Оно поступает на вход дифференциатора 22 с выхода блока 15 сравнения, и напряжение на выходе дифференциатора 22 имеет отрицательную полярность (дифференциатор инвертирует сигнал) до тех пор, пока напряжение ошибки не поменяет знак с плюса на минус,т.е. прекратит свой рост. В момент максимального значения напряжения ошибки ее производная равна нулю, и напряжение на выходе дифференциатора 22 также равно нулю. Все время, пока напряжение ошибки положительно, а напряжение на выходе дифференциатора отрицательно, на выходе детектора 24 нуля, подключенного к выходу дифференциатора 22, имеется положительное напряжение, которое поступает на вход элемента 28 совпадения, На другой вход схемы совпадения с выхода порогового элемента 26 поступает также положительное напряжение, поскольку его уставка срабатывания выбрана меньше, чем напряжение задат- чика Uj и напряжение на выходе сумматора в первый момент времени мейь- ше, чем указанное напряжение уставки. срабатывания порогового элемента. Поэтому в первый момент времени нарастания напряжения ошибки на оба входа элемента 28 совпадения поступают положительные напряжения с выходов порогового элемента 26 и детектора 24 нуля и на выходе элемента 28 совпадения имеется положительное напряжение логической единицы,, которое поступает на управляющий вход ключевого элемента 21 и вызьгаает его срабатывание. При этом емкость 20 интегратора 19 закорачивается и разряжается через открытый ключевой элемент 21. Шунтирование интегрируюд(ей емкости 20 интегратора 19 отключает интегратор и уменьшает время переходного процесса в электронном регуляторе 14, тем самым ускоряется процесс установления показания метанометра 6, а следовательно, ускоряется процесс приготовления метановоздушной смеси на выходе стенда и повышается быстродействие поверки и настройки шатньпс сигнализаторов. Одновременно уменьша

5

5

0

5

0

5

0

5

ется величина перерегулирования регулятора 14. После того, как напряжение на выходе сумматора 23 превысит порог срабатывания порогового элемента 26, напряжение на его выходе меняет знак с положительного на отрицательный и блокирует через элемент 28 совпадения работу корректирующей цепи дифференциатор 22 - детектор 24 нуля,предотвращая ее дальнейшее воздействие через ключевой элемент 21 на интегратор 19, повышая надежность работы корректирующей цепи в целом, поскольку в установившемся режиме отключение интегратора ухудшает точность работЪ стенда. После установления показания действие корректиру- юп;ей цепи, ускоряющей переходной процесс, прекращается. Для этого порог срабатывания порогового элемента 26 выбирают немного меньше, чем напряжение на выходе сумматора 23 в установившемся режиме.

Таким образом, ключевой элемент 21 включается цепочкой дифференциатор 22 детектор 24 нуля через элемент 28 совпадения, а отключается при помощи порогового элемента 26 также через элемент 28 совпадения. После срабатывания порогового элемента 26, как только прекращается рост напряжения ошибки, на выходе блока 15 сравнения напряжение на выходе дифференциатора 22 меняет знак с отрицательной полярности на положительную,вследствие чего меняется знак напряжения на выходе детектора 24 нуля с положительной полярности на отрицательную, на выходе элемента 28 совпадения имеется напряжение логического нуля. Это также вызывает отключение ключевого элемента 21, но он еще раньше отключен после срабатывания порого- . вого элемента 26, с целью повышения надежности работы корректирующей це- . пи в установившемся режиме и при переходе с одной уставки по концентрации на другую, большую по величине, когда уже не требуется отключать интегратор. Отключение интегратора и ускорение процесса приготовления смеси требуется при запуске стенда и выведении его с нулевых показаний на установившееся заданное значение, а также при автоматическом определении сигнальной концентрации сигнализатора, когда йа выходе стенда (в присоединительной насадке 8) генерируется линейно нарастающий закон изменения концентрации метана, и электронный регулятор 14 работает постоянно в переходном режиме, До срабатывания порогового элемента 26 и вклю- чения интегратора 19 регулятор 14 работает с ПД-законом регулирования в начале переходного процесса, а в установившемся режиме регулятор 14 работает с ПИД-законом регулирования По мере роста напряжения ошибки,эта величина поступает на сумматор 23 с выхода блока 15 сравнения через усилитель 25 и суммируется с напряжениями с выходов дифференциатора 22 и ни-

тегратора 19. Интегратор в этот момент закорочен и своим напряжением н увеличивает напряжения ошибки в переходном процессе,а дифференциатор,.наоборот, ускоряет переходной процесс, уменьшая ошибку в переходном процессе.

Усилитель 25 является инвертирующим, сумматора 23 также инвертирующий, поэтому в результате напряже- ние на выходе сумматора увеличивается в начале переходного процесса,также увеличивается и напряжение на побудителе 13 расхода возуха, который подключен через усилитель 27 к выхо- ду сумматора, количество воздуха, по даваембе на смеситель 3, увеличивается, что приводит к уменьшению концентрации метана в смеси, поступающей в ячейку 4 к датчику 5 метанометра 6. Поэтому напряжение на выходе метанометра 6 начинает уменьшаться, следовательно начинает уменьшаться напряжение ошибки на выходе блока 15 сравнения . Переходный процесс в автома- тическом регуляторе заканчивается установлением показания метанометра 6, равным уставке на выходе задатчи- ка 16, а напряжение ошибки становится близким к нулю.

Временные диаграммы (фиг.2) поясняют описанные переходные процессы в регуляторе 14. На диаграммах обозначены: напряжение Uj, на выходе метанометра 6; напряжение uU сшиб- ки на выходе блока 15 сравнения; напряжение ид„-, на выходе дифференциатора 22; напряжение Идет.о «а выходе детектора 24 нуля; напряжение

U(, на выходе сумматора 23; установившееся напряжение и,,,., „. сумматора; уставка срабатывания порогового элемента 26; напряжение на выходе порогового элемента 26; напряжение U (, на выходе элемента 28 совпадения; напряжение И на выходе интегратора 19.

Работа электронного регулятора 14 и корректирующей цепи, управляющей законом регулирования ПД-Ш-Щ, в режиме программного регулирования не отличается от работы в описанном режиме стабилизации концентрации метана..

Формула изобретения

Электронньй регулятор расхода воздуха стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, содержащий интегратор, дифференциатор,сумматор и усилитель мощности, причем вход интегратора соединен с входом дифференциатора и одним из входов сумматора и является входом электрон ного регулятора, выход сумматора со- .единен с входом усилителя мощности, ;выход которого является вьп Юдом электронного регулятора, отличающийся тем, что, с целью повыше - ния быстродействия поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана путем ускорения процесса приготовления метановоздушной смеси заданной концентрации, в электронный,регулятор расхода воздуха стенда введены ключевой элемент, детектор нуля, элемент со впадения и пороговый элемент,причем входы детектора нуля и порогового элемента подключены соответственно к выходам дифференциатора и сумматора электронного регулятора расхода воздуха стенда, входы элемента совпадения подсоединены к выходам детектора нуля и порогового элемента соответственно, выход элемента совпадения соединен с управлякнцим входом ключевого элемента, который подключен параллельно емкости интегратора электронного регулятора расхода воздуха стенда, а вход порогового элемента подключен к выходу сумматора и входу уснпителя мощности.

Uc

2

-. ™J,. .™

ЩУ dem.g

,j

Uct/K

tjCfjn

Urfso

Г

L I

Редактор Л.Лангазо

Составитель Г.Нунупаров

Техттед ЛоОлейник Корректор А.Зимокосов

Заказ 1420/33Тираж 430Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035., Москва5 Ж-35, Раушская наб, д,4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул,Проектная,4