Переносной шахтный сигнализатор метана Советский патент 1991 года по МПК E21F17/18 E21F9/00 

Фиг./

П iofipeic ние отт, к Ч хнике без опасности на мочьных шахтах, а именно к атома гическим средствам иповои защиты, и может быть исподьювано тля непрерыв ною автоматического контроля концентра- гаи н шахтной атмосфере и сигналиыции о превышении ДОПУСТИМЫХ норм кон- цеиграции метана в шахте

Цель mo6piтения повышение точности и(мерення концентрации метана, точности рабагчвания сигнализации и меньшение нодютовки к работе

На фш I представлена блок-схема предн)Ж1Ш1 п переносною шахтного сигналкза- н.ц.1 1 uiii на фт 2 - формирова- re ib илювыч ИМПУЛЬСОВ и временных ин- lepsv «в и формирователь импульса сброса cm на имя гора, на фиг 3 - временные

in ii I.VMU, поясняющие работ формирова ч )н||- |,ми и Н|н менных и нтер- н 1 юн пр мч/кеннию i. иi пали (a iopa

i I i ID/KI т ыи перекосной шах гний И1

ia itiiamp iriHri содержит фп 1) датчик I Milan подключенный черсм сили( и. 2 vi.iri.a к входам шмеригепя 3 тми ,i (майи меына и б юка 4 стнадшаiiin ii ibi-piaii Г IKJ iK iionei Mhin входом к vutinv iH 2 (.HI нала, а рыхо юм I- IK реключ аия иапр.ш гин счсма

It ,1 pi 1И,| )1 О v 41 i ЧИК.1 Ь, ВЫХО I pi Hi pi И В HOI О

,. i мча h иодк почен к iixori пифроанаинотяпо ii|H o6 ia оваге я 7, ое шненно о чере аннепт ир ющии мили гель 8 Hsou M i и in идя 2 cm нала, ныхо i фор- Miipoijiii 1Я имп i л он и времен ны niiiepiiri К)В loe innen со счмным вхоlovi un(KMriHoro (.четчика , срормирова и ib li1 имп Ч)Сов сброса соеишен с вхоом Г(а iaiiiiiii (|к;рмирочан1 я Ч гак- ювЬ|Х и в)емемных итерва юв и ,iiM pa (pi ак-ния taiincn реиерсивно о i чет щьа Ь

Br, ibopoM варианте пре I.IOA иною сшia топоча вхо i ii.ib органа т по 1ключен к 1,ыхои и терн теля 3 концентрации мегана, а i инвергир Ю1пего уси плеля 8 подключен - вхо 1д измерителя 3 концентрации

1 Kill,,

Фмрмирова ie ib () тактовых импччьсов и Фемидах ипгерваюв ((|)нг 2) содержит

lent р,пор 11 i IMOBU ИМШЛЫ ОВ, ИСИНХрОНiiDiii 1ВОИЧНЫИ (четчик 12, элементы И 13 11 и 1т RS ipunep 16, причем выхо i. гене- pa i ni.i М актовых имп льсов (I ГИ) под к пмчеи к i4iinnM вхо i счетчика 12 и от. ном и вхо шв элемента И In Вь: ходы счет t 12 (Q- н () ) me шнсны с nxoiaMU пимента И 3 выхо i кслорою соединен с S вхо о1 ipmrena lh Входы элемента ИИ ч чинены соответственно i выходом Q ( чика 12 и инверсным выходом i ра Ib Выхо i элемента И 11 сослинен 1. входом 1емеша 15 R входы счетчика 12 и ipmrtpa 16 ио1К.гОчены к фор Mii MH,. i е по 10 сброса Выхо i эле

10

15

20

30

35

5

0 5

0

мента И 15 подключается к счетному входу реверсивного счетчика 6.

Формирователь 10 импульса сброса (фиг 2) содержит инвертор 17, резистор 18 и емкость 19, причем резистор 18, соединенный с источником питания, и емкость 19, соединенная с общим проводом, подключены к входу инвертора 17, выход которого соединен с R-входами (входами сброса данных) счетчика 12, триггера 16 и входом разрешения 1аписи реверсивного счетчика 6

В качестве датчика 1 метана и блока 4 сигнализации могут быть использованы термокаталитический датчик и блок сигнализации от серийного сигнализатора метана «Сигнал-2 В качестве измерителя 3 концентрации метана может быть использован либо аналоговый измеритель (стрелочный милливольтметр), либо цифровой измеритель, собранный на аналого-цифровом пре- обра1ователе К572ПВ2 с цифровыми свето- июдными индикаторами, как и в сигнали заторе прототипе «Сигнал-2 В качестве нуль-органа 5 используется известный нуль- орган (компаратор, детектор нуля), собранный на операционном усилителе

Цифроа налоговыйпреобразователь

(11ДП) 7 может быть выполнен на серийной микросхеме ЦАП В качестве генератора тактовых импульсов 1 1 используется мультивибратор, собранный по типовой схеме

Предложенный сигнализатор работает следующим образом

При включении сигнализатора, которое производится на поверхности шахты в среде чистою воздуха, питание подается на датчик 1 метана и другие блоки сигнализатора При этом происходит разогрев датчика 1 то температуры начального нагрева (около 450°С) На выходе (в диагонали) и мерительного моста, в который включен датчик 1 метана, после прогрева устанавливается некоторое напряжение, называемое напряжением электрического нуля Как правило, оно не равно нулю и может иметь любую полярность и является главной причиной появления погрешности измерения концентрации метана и погрешности срабатывания сигнализации Это напряжение электрического нуля усиливается дифференциальным усилителем 2 сигнала и поступает на входы измерителя 3 концентрации метана, блока 4 сигнализации и нуль-органа 5

Величина напряжения на выходе нуль- opiana 5 зависит от полярности напряжения на его входе- при положительной полярности напряжения на входе нуль-органа и его выходе будет напряжение высокого ровня, а при отрицательной полярности - напряжение низкого уровня.

При включении сигнализатора с выхода формирователя 10 импульса сброса на R-входы (входы сброса данных) счетчика 12, триггера 16 и вход разрешения

записи реверсивного счетчика 6 поступает однократный импульс сброса И2 (положительный импульс), длительность которого (порядка нескольких миллисекунд) определяется величиной емкости 19 и резистора 18 При этим происходит запись числа 128 в реверсивный счетчик 6 за счет подачи на входы предварительной записи счетчика 6 соответствующих потенциалов согласно двоичному коду числа , которое выбрано из требования получения заданной точности и диапазона коррекции электрического нуля Это число равно половине емкости 8-разрядного реверсивного счетчика 6

Предположим, что на выходе усилителя 2 сигнала присутствует напряжение 5 электрического нуля положительной полярности При этом на выходе нуль-органа 5 также будет напряжение высокого уровня, а реверсивный счетчик 6 суммирует число импульсов, равное 128, с выхода формирователя 9 с предварительно записанными 128 импульсами в счетчике 6 При этом цифровой сигнал в двоичном коде (8 разрядов) с выхода счетчика 6 поступает на ЦАП 7 и преобразуется в положительное аналоговое напряжение, которое инвертируТаким образом, диапазон коррекции ну- 15 ется усилителем 8, поступает на неинверля разбит на две равные части - по 128 разрядов для компенсации ухода нуля положительной и отрицательной полярности

С выхода ГТИ 1 1 поступают тактовые импульсы И; на счетный вход счетчика 12,

тирующий вход дифференциального усилителя 2 и суммируется с положительным напряжением электрического нуля Инвертирующий усилитель 8 для согласования выхода ЦАП 7 с входом усилителя 2

а с выходов Q7 и Qn счетчика 12 на входы 20 Поскольку напряжение с выхода инвертиэлемента И 13 поступают соответственно на пряжения Из и И4 с частотами следования импульсов соответственно в и в 2 2048 раз меньше, чем частота импульсов И|

Импульс Ит с выхода элемента И 13 используется для запуска RS-триггера 16, который используется для однократного осуществления коррекции электрического нуля сигнализатора Для повторного производства коррекции нуля необходимо выключить и вновь включить сигнализатор (чтобы осуществить сброс RS-триггера 16 при помощи формирователя 10 импульса сброса) При срабатывании RS-триггера 16 напряжение Иб на его инверсном выходе меру ющего усилителя 8 в приведенном случае имеет отрицательную полярность, то результирующее напряжение на выходе усилителя 2 уменьшается и происходит коррек25 пия электрического нуля Это уменьшение напряжения на выходе усилителя 2 происходит до тех пор, пока не сменится знак напряжения на выходе усилителя 2 и, следовательно, уровень напряжения на выходе нуль-органа 5, а также направление счета

30 реверсивного счетчика 6 Но так как с выхода формирователя 9 поступает только одна пачка 128 импульсов, то на этом цикл коррекции нуля заканчивается

Таким образом, усилитель 2 охвачен цепью отрицательной обратной связи- нульТаким образом, усилитель 2 охвачен цепью отрицательной обратной связи- нульняется скачком с напряжения логической 35 орган 5, счетчик 6, ЦАП 7, инвертируюдо напряжения логического «О При этом на выходе элемента И 14 формируется импульс И7, равный по длительности 128 тактовым импульсам И. В результате на выходе элемента И 15 получается пачка 128 тактовых импульсов (Иа), которая формируется через промежуток времени после включения сигнализатора, равный 2048 длительностей тактовых импульсов И, составляющий приблизительно 10-12 мин, что соответствует времени прогрева датчика 1 метана Из указанных соображений выбирается длительность тактовых импульсов (0,35 с) Таким образом, с выхода формирователя 9 тактовых импульсов и временных интервалов поступает на счетный вход ревер40

щий усилитель 8

При отрицательной полярности напряжения электрического нуля сигнализатор работает так же, как и при положительной полярности, только полярности указанных напряжений будут обратными

Продолжительность коррекции нуля составляет около 45 с при длительности тактового импульса 0,35с с количеством им- 45 пульсов коррекции, равным 128 С поступлением каждого тактового импульса коррекции абсолютная величина электрического нуля уменьшается на 0,01 об % СН., (шаг коррекции) Таким образом, диапазон коррекции нуля достигает ±1,28 об % (при

сивного счетчика 6 последовательность из 50 128 импульсах коррекции), что значительно

128 импульсов, которые либо вычитаются, либо добавляются к 128 импульсам, уже записанным ранее в счетчике 6 в зависимости от состояния нуль-органа 5, управляющим направлением счета реверсивного счетчика 6 При напряжении высокого уровня на выходе нуль-органа 5 указанные 128 импульсов суммируются в счетчике 6 со 128 импульсами, записанными раньше, а при напряпревышает реальный уход нуля (обычно, не более ±0,3 об %), тем самым обеспечивается достаточный запас коррекции После осуществления коррекции возможно остаточное значение электрического нуля (не более ±0,02 об%), которое обусловлено вой величиной разрешающей способности нуль-органа 5, при этом в счетчике 6 оста ется записанным такое число в двоичном

женин низкого уровня эти импульсы вычитаются от ранее записанных

Предположим, что на выходе усилителя 2 сигнала присутствует напряжение 5 электрического нуля положительной полярности При этом на выходе нуль-органа 5 также будет напряжение высокого уровня, а реверсивный счетчик 6 суммирует число импульсов, равное 128, с выхода формирователя 9 с предварительно записанными 128 импульсами в счетчике 6 При этом цифровой сигнал в двоичном коде (8 разрядов) с выхода счетчика 6 поступает на ЦАП 7 и преобразуется в положительное аналоговое напряжение, которое инвертиру0

5 ется усилителем 8, поступает на неинвертирующий вход дифференциального усилителя 2 и суммируется с положительным напряжением электрического нуля Инвертирующий усилитель 8 для согласования выхода ЦАП 7 с входом усилителя 2

Поскольку напряжение с выхода инвертиру ющего усилителя 8 в приведенном случае имеет отрицательную полярность, то результирующее напряжение на выходе усилителя 2 уменьшается и происходит коррекпия электрического нуля Это уменьшение напряжения на выходе усилителя 2 происходит до тех пор, пока не сменится знак напряжения на выходе усилителя 2 и, следовательно, уровень напряжения на выходе нуль-органа 5, а также направление счета

реверсивного счетчика 6 Но так как с выхода формирователя 9 поступает только одна пачка 128 импульсов, то на этом цикл коррекции нуля заканчивается

Таким образом, усилитель 2 охвачен цепью отрицательной обратной связи- нульорган 5, счетчик 6, ЦАП 7, инвертирую

щий усилитель 8

При отрицательной полярности напряжения электрического нуля сигнализатор работает так же, как и при положительной полярности, только полярности указанных напряжений будут обратными

Продолжительность коррекции нуля составляет около 45 с при длительности тактового импульса 0,35с с количеством им- пульсов коррекции, равным 128 С поступлением каждого тактового импульса коррекции абсолютная величина электрического нуля уменьшается на 0,01 об % СН., (шаг коррекции) Таким образом, диапазон коррекции нуля достигает ±1,28 об % (при

128 импульсах коррекции), что значительно

превышает реальный уход нуля (обычно, не более ±0,3 об %), тем самым обеспечивается достаточный запас коррекции После осуществления коррекции возможно остаточное значение электрического нуля (не более ±0,02 об%), которое обусловлено вой величиной разрешающей способности нуль-органа 5, при этом в счетчике 6 оста ется записанным такое число в двоичном

коле, которое при суммировании на входе усилителя 2 (после преобразования ЦАП 7 и инвертирующим усилителем 8) обеспечивает величину электрического нуля, близкую по абсолютной величине к нулю.

Таким образом, в предложенном сигнализаторе за счет коррекции ухода электрического нуля повышается точность измерения концентрации метана и точность срабатывания сигнализации, а также уменьшается время проверки при подготовке сигнализатора к эксплуатации, поскольку указанная коррекция ухода электрического нуля осуществляется автоматически

Так, если в сигнализаторе «Сигнал-2, принятом та прототип, уход электрического нуля w время работы в шахте 8-10 ч может .осгавлять величину ±(0,1 -0,2) об % СН4 мри величине абсолютной погрешности измерения и срабатываниясигнализации :гО„Ч об ;,, П-Ь, то в предложенном сигна- лшаторе v i электрического нуля компен- t чет коррекции, тем самым точ- ность шмерения и срабатывания сигнализации повышается на ±(0,1 -0,2) об.% СН4. При этм сокращение времени проверки при чпцонже к эксплуатации предложенного симы пнтора по сравнению с сигнализато- принягым ча прототип, составляет

Л 5 мин на о чин сигнализатор в смену, что при большом числе приборов на шахте (100 200 шт ) может достигать значительной величины (не менее 5 ч в смену на бри- I а чу элекгпослесарей из 5 человек)

В конечном итоге, использование предложенного сигнализатора позволяет повысить безопасность труда на шахтах, опасных по газу.

Формула изобретения

Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, подключенный через усилитель сигнала к входам измерителя концентрации метана и блока сигнализации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации метана, точности срабатывания сигнализации и уменьшения времени подготовки к

работе, в него введены нуль-орган, реверсивный счетчик, цифроаналоговый преобразователь, инвертирующий усилитель, формирователь тактовых импульсов и временных интервалов и формирователь импульса сброса, причем выход усилителя сигнала соеди0 нен с входом нуль-органа, выход которого подключен к входу переключения направления счета реверсивного счетчика, выход реверсивного счетчика подключен к входу цифроаналогового преобразователя, соединенного выходом через инвертирующий усилитель с входом усилителя сигнала, выход формирователя тактовых импульсов и временных интервалов соединен со счетным входом реверсивного счетчика, при этом выход формирователя импульса сброса соединен с 0 входом сброса формирователя тактовых импульсов и временных интервалов и входом разрешения записи реверсивного счетчика.

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим средствам газовой защиты, и м. б. использовано для непрерывного автоматического контроля концентрации метана (КМ) в шахтной атмосфере и сигнализации о превышении допустимых норм КМ в шахте. Цель - повышение точности измерения КМ, точности срабатывания сигнализации и уменьшение времени подготовки к работе. Датчик 1 метана через усилитель 2 подключен к измерителю 3 КМ и блоку 4 сигнализации. Выход усилителя 2 также подключен к цепи последовательно соединенных нуль-органа 5, реверсивного счетчика 6, ЦАП 7 и инвентирующего усилителя 8. Выход усилителя 8 подключен к входу усилителя 2. Ко второму и третьему входам счетчика 6 подключены выходы формирователя 10 импульсов сброса и формирователя 9 тактовых импульсов и временных интервалов, вход которого соединен с выходом формирователя 10. Формирователь 9 генерирует пакет импульсов, который суммируется с импульсами, предварительно записанными в счетчике 6. Направление счета определяется полярностью напряжения электрического поля на входе нуль-органа 5. Двоичный код с выхода счетчика 6 через ЦАП 7 и усилитель 8 подается в виде аналогового сигнала на вход усилителя 2, компенсируя уход нуля. 3 ил. Ј (Л С5 СО оо о о

К Входу разрешения записи реверсидног.0 счетчика б

Фаг.I

0 Uz

0

3

Л/гит 128 та кт имп.

0 Liu

ЛГШЛГт

Л пит то мг им л

0 5

0

Л ЛJL

0

1

J1

n

i

J

t

t

t

,128 такт unn

t

ФигЗ