Переносной шахтный сигнализатор метана Советский патент 1988 года по МПК E21F17/18 

LT.JiJ

4;

4

сл

4

tc

М

Изобретение относится к технике безопасности на уготьных шахтах и м. б. нспапьзовано в автоматических средствах газовой защиты. Цель -- повышение точ ности измерения концентрации метана. Устройство состоит из датчика (Д) 1 метана, включающего последовательно соелнненные рабомий элемент (РЭ) 2 и сравнительный элемент (СЭ) 3, блок сигнализации и измерения концентрации метана, соединенный с источником 6 питания, стабилизаторы 8 и 20 напряжения и потенциометр 22. При отсутствии метана из Л задается при по- мошн потенциометра 22 начальный режим работы, напряжение на котором поддерживается постоянно от стабилизатора 8. А режим работы Д 1 задается неизменным при помощи стабилизатора 20 за счет под,аер- жания постояиным напряжения на СЭ 3. При этом сопротивление РЭ 2 и СЭ 3 при отсутствии метана равны, за счет чего при подаче метана на Д 1 на СЭ 3 не меняется напряжение, а на РЭ 2 увелн- чивается. Благодаря этому напряжение на выходе Д1 увеличивается на полную величину приращения напряжения РЭ 2. I ил с сл

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим средствам газовой защиты, и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля концентрации метана в шахтной атмосфере и сигнализации о превышении допустимых норм конценграции метана в шахте.

Целью изобретения является повышение точности измерения концентрации метана и номехозащишенности сигнализатора за счет увеличения отноц ения ватичины полезного сигнала на выходе датчика метана к величине сигнала он1нбки.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема сигнализатора.

Переносной шахтный сигнализатор метана содержит датчик I метана, состоящий из последовательно соединенных рабочего 2 и сравнительного элемента 3, которые имеют общую точку 4. Вывод сравнительного элемента 3 соединен с минусовой (оГцц . й) шиной 5 источника 6 питания.

Влок 7 сигнализации и измерения концентрации .етана соединен с источником 6 питания через стабилизатор 8 напряжения с ,1К.:ючен1 Ым к нему блоком 9 отключения источника питания.

Ьлок 7 ;iii нализации и и.шерония кон- i. -f .1;1ии Mi.MHua yci .jriU .ib П нала, компараторы ii, 12, ключевой ipan- зисгор К} и ряд резисторов. На вы.ходе блока 7 СИ1 н; лизации и измерения концентрации метана предусмотрены измеритель 14 к )центрации метана и светодиод 15 сигнализации.

Стабилизатор 8 напряжения выполнен в виде о 1ерационного усилителя 16 с регулирующим тран.пк тором 17 К стабилизатору 8 напряжения подключен блок V отключения источника питания, собранный н;) оитопаре 18 и ключевом .г,1сторе 19 (Стабилизатор 20 режима работы датчика метана выпатнен в виде операционного усилителя 21 с потенциометром. 22 и регул .- рующим транзистором 23.

База регулирующего транзистора 23 соединена с выходом операционного усилителя 2i, коллектор подключен к плюсовой шине источника 6 питания, а э.миттер транзистора 23 соединен с з.ходом блока 7 с..гг{..лизации и измерения концентрации метана и выводом рабочего элемента 2 датчика метана. В качестве выхода датчика 1 метана испсхтьзуется вывод рабочего элемента 2. Сравнительный элемент 3 датчика 1 включен в цепь отрицательной обратной связи сгабилизатора 20 режима работы датчика, при этом инвертирующий вход операционного усилителя 21 подключен к общей точке 4 датчика метана. Неинвертирующий вход операционного усилителя 21 соединен со средней точкой потенциометра 22.

Шахтный сигнализатор метана работает следующим образом.

При отсутствии метана на датчике 1 метана задается при помощи потенциометра 22 начальный режим работы датчика метана. При этом напряжение на средней

точке потенциометра 22, к которой подключен неинвертирующий вход операцяоиного усилителя 21, устанавливается равным половине номинального напряжения питания датчика метана. Благодаря тому, что стабилизатор 20 режима работы датчика действует как автоматический регулятор напряжения на сравнительном элементе 3 датчика 1, ток через рабочий элемент 2 по.адержи- вается при этом также постоянным в диапазоне изменения напряжения источника 6

питания при постоянной температуре, поскольку напряжение на средней точке потенциометра равно напряжению на сравнительном элементе 3 датчика 1. Изменение напряжения источника 6 питания на коллекторе тра.1зистора 23 не вызывает изменения напряжения на эмиттере этого регу- .)ирук)1це1Ч) транзистора 23, а следовательно и на датчике 1, так как напряжение на потенциометре 22 поддерживается постоянным, поскольку он питается от стабилизагори 8 напряжения, а база транзистора подк. к выходу операционного усилителя 21, действующего как усилителя напряжения рассогл;кч)взния между его вло- лами. Таким образом, режим работы датчика задается неизменным при помощи стабилизатора 20 ла счет поддержания постоянным напряжения на сравнительном элементе 3 и тока через рабочий элемент 2, пркчем сопротивления рабочего и сравнительного элементов при отсутствии метана примерно равны. Кроме того, поскольку па

сравнительном элементе 3 по/щерживается постоянное напряжение, а его сопротивление постоянно при неизменной те.мпературе, то и ток через сравнительный элемент 3 И)Д.. 1ержизается постоянным. В результате стабилизатор 20 поддерживает на сравни- тельно.м элементе 3 постоянную , так как его ток и напряжение постоянны.

Благодаря такому режиму работы датчи- ка 1, определяемого стабилизатором 20, изменение напряжения на рабочем элементе 2 при подаче метана на датчик 1 (1ри постоянной температуре окружающей среды) не оказывает в-тияние на напряжение на ср чвнительном элементе, которое при подаче метана остается постоянным. При подаче метана на датчик 1 напряжение на рабочем элементе 2 увеличивается, так как на рабочем элементе происходит окисление метана, и выделяемая при этом тепловая энергия преобразуется в приращение сопро- тивления рабочего элемента, выполненного в виде спирали из платинового микропровода, с нанесенным на него каталитическим покрытием, и рабочий элемент питается постоянным током от стабилизатора 20. Поскольку напряжение на сравнительном элементе 3 поддерживается постоянным при помощи стабилизатора 20, то напряжение на выходе датчика I увеличивается на пол- ную величину приращения напряжения рабочего элемента 2. На неинвертирующий ход дифференциального усилителя 10 блока 7 сигнализации и измерения поступает сигнал с выхода датчика 1, а на инвертирующий вход усилителя 10 поступает опорное напряжение, снимаемое со средней точки потенциометра, питаемого от стабилизатора 8 напряжения. Предварительно при отсутствии метана при помощи этого потенциометра устанавливается электричес- кий нуль сигнализатора по шкале измерителя 14 концентрации метана, т. е. устанавливается равенство напряжений на выходе датчика I и на средней точке потенциометра установки нуля.

Благодаря указанному включению выхо- да датчика I и средней точки потенциометра установки нуля, а также описанному режиму работы датчика к входам усилителя 10 подводится полное приращение напряжения рабочего э - емента 2 дат- чиха i метана, возиикаюи .ее при подаче метан; За счет этого ре.-.линуетея увеля- н иис is( in4HHU иоле.чного сигнала на вы- .ходе Д1тчика.

Таким образом, обеспечивается повыше- няе точности измерения концентрации ме- тана.

Сигнализатор предварительно калибруется путем подачи аттестованной метано- воздуюной смеси на датчик метана при помощи регулировки ко: ффнцнента усиления усилителя 10. Для этого предусм(л-рен потенциометр в цепи обратной связи усилителя 10. с помощью которого показание измерителя 14 устанавливается равным концентрации метана в аттестованной смесн. V. выхода усилителя 10 сигнал поступает на вход компаратора П. При превыще- НИИ заданного значения концентрации метана сигнал на выходе компаратора il резко возрастает, поскольку величина сигнала на выходе усилителя 10 превышает напряжение на неинвертирующем входе ком- паратора 11, которое задается потенциометром уставкн срабатывания сигнализации. Г|Оложительный потенциал с выхода компаратора 1 открывает ключевой транзистор 13 и загорается с ветодиод 15 сигнализации. При разряде аккумуляторных батарей источ- ника 6 питания срабатывает компаратор 12 контроля напряжения, при этом напряжение на его выходе резко возрастает и отгры- вается ключевой транзистор 13, в ре -ль- тате чего загорается светодиод 15 с i на- лизации. Установка срабатывания ком фа- тора 12 контроля напряжения задаете потенциометром на неинвертирующем ходе компаратора, а инвертирующий вход гого

компаратора подключен к плюсовой шине источника 6 питания.

Стабилизатор 8 напряжения с регулирующим транзистором 17 собран по компенсационной схеме и настраивается с помощью потенциометра на инвертирующем входе операционного усилителя 16 стабилизатора 8, неиивертирующий вход- операционного усилителя 16 подключен к ста- бистору, который является источником опорного напряжения 8 стабилизатора.

При снижении напряжения источника 6 питания ниже уставки срабатывания компаратора 12 контрсх-чл напряжения срабатывает блок 9 отключения источника питаний, который собран на транзисторной оптопаре 18 и к-тючевом транзисторе 19. При этом гаснет светодиод оптопары 18, закрывается фототранзнстор оптопары 18, открывается ключевой транзистор 19, который щунти- рует базу регулирующего транзистора 17 стаби- изатора 8 напряжения. Регулирующий транзистор 17 закрывается, и ток, потребляемый сигнализатором метана, резко снижается, поскольку напряжение на эмиттере транзистооа 17 резко падает. Уставка срабатывания этого блока задается переменным сопротивлением в цепи светодиода оптопары. апряжение на датчике 1 и его ток также резко сннжиются, гак как снижается напряжение стабилизатора 8 (эмиттер транзистора 7). которое является опорным для стабилизатора режи.ма работы датчика метана. Это предотвращает глубокий разряд аккумуляторов источннка б питания и выход аккумуляторов из строя по причине глубокого разряда, а также предотвращает выдачу ложных показаний сигнализатора с разряженными аккумуляторами.

Если меняется температура окружающей среды при отсутствии метана на датчике , то меняется величина сопротивления раб чего 2 и сравнительного 3 элементов ДЁ. . чика 1. Сравнительный элемент выпапнон идентично рабочему элементу, но без каталитического покрытия. При увеличении температуры сопротив ение рабочего и сравнительного элементов увеличивается. При этом. Поскольку напряжение на сравнительном элементе остается постоянным, то уменьшается ток через сравнительный элемент, следовательно, уменьшается ток и через рабочий элемент, так как через рабочий и сравнительный элементы протекает один и тот же ток. Следовательно, увеличение сопротивления элемента при увелн- ченин теШ1ературы компенсируется уменьшением тока через рабочий элемент и напряжение на рабочем элементе остается при увеличении температуры постоянным. Такие же процессы происходят при умень- щенпн температуры.

Благодаря наличию сравнительного элемента обеспечивается температурная стабильность электрического нуля и точности

«змрр ния сигмалкзатлра. так как йа выхп- ле датчика I напряжение при изменении гемпсратури остйетсл неизменным.

Формула изобретения

Переносной шахтный сигнализатор ме- гана по авт. св. № И15537, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации метана, он снабжен дополнительными операционным усилителем, транзистором и потенциометром,

крайние виполы которот полклюмены к шн- нам стабилизатора напряжения, и его ( иий пыпод --- к прямому входу oiK pa- ииопного усилителя, инверсный вход которо го с(х динеи с первым выводом датчика мс тана, эторой вывод которого подключен к отрицательной шине стабилизатора, а третий вывод - к входу блока сигнализации н к эмиттеру транзистора, коллектор которого подключен к положительное шине источника питания, а база - к выходу операционного усилителя.