Способ искробезопасного дистанционного питания шахтных датчиков аэрогазового контроля и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК E21F9/00 H02H7/26 

Изобретение относится к айтоматической газовой защите на угольных шахтах и позволяет повысить искробезопасную мощность, стабильность и точность измерений состава и параметров взрывоопасной рудничной атмосферы путем увеличения КПД использования и поддержания на заданном уровне подводимой к датчикам искробезопасной мощности путем придания нагрузочной характеристике источника электрической энергии (постоянного или переменного тока) нелинейного характера.

Известен способ искробезопасного дистанционного питания датчиков аэрогазового контроля, основанный на стабилизации напряжения в источнике, который реализован в системе автоматической газовой защиты и телеавтоматического централизованнрго контроля содержания метана в рудничной атмосфере АМТ-3, содержащей феррорезокансный стабилизатор напряжения, токоограничительный резистор, искрогасящий шунт на вариконде, двухпроводную линию электропитания, а в качестве нагрузки - датчик контроля метана.

Недостатками системы являются нагрузочная характеристика источника электрической энергии имеет линейный характер, что не позволяет достигнуть величины коэффициента использования искробезопасной мощности более 0,25, так как в режиме короткого замыкания источника ток значительно превышает потребляемый ток нагрузки, в связи с,чем снижается уровень искробезопасности; ограниченная длина I линии электропитания (максимальное сопротивление шлейфа двухпроводной линии для двух километров составляет порядка 150 Ом), в пределах изменения которой ток, потребляемый датчиком и чувствительным элементом, уменьшается на 20% от максимального значения, что приводит к перераспределению потребляемой мощности и к нарушению стабильности параметров питания измерительной схемы. Кроме того, искрозащитный шунт на вариконде выбран из соображений максимального подавления перенапряжений во вторичной обмотке и имеет большую величину емкости, составляющую 0,1 мкФ. Эта емкость эквивалентна по воспламеняющей способности емкости 1,5 км линии электропитания, что не позволяет удалять датчик от источника на расстояние более чем 2 км.

Известно устройство, которое содержит источник постоянного тока, двухпроводную линию, схему элементов шунта на тиристоре, .выпрямительном мосте, дросселе, конденсаторе и нагрузку. Дроссель и конденсатор используются в качестве элементов выделения суммарного сигнала, воздействующего на тиристор, величина которого пропорциональна скорости нарастания напряжения питания и скорости изменения тока в нагрузке.

Данное техническое решение может быть использовано, с источником прстоянного либо выпрямленного тока, однако ему

0 присущи недостатки. Кроме того, подключение длинных линий электропитания снижает эффективность искрозащиты путем снижения сигнала по скорости изменения тока.

5 Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ дистанционного питания датчиков аэрогазового контроля, реализуемый в устройстве для дистанционного аэрогазового

0 контроля, содержащем датчик, линию электропитания и феррорезонансный стабилизатор напряжения, к выходу которого подключен стабилизатор переменного тока на регулирующем транзисторе. Устройство

5 имеет нелинейную нагрузочную характеристику.

Однако по линии электропитания к датчику подводится непостоянная мощность, которая зависит от изменяющегося входного сопротивления датчика, что не исключает выхода источника из режима-стабилизации тока. Изменение входного сопротивления, даже при постоянстве тока приводит к изменению напряжения питания на входе датчика, а следовательно, и к нарушению его метрологических характеристик. Кроме того, устройство не позволяет повысить искробезрпасную мощность на выходе стабилизатора тока и добиться значительного увеличения сопротивления и протяженности линии электропитания, так как вынужденная необходимость повышения напряжения источника приводит к критическому значению скорости нарастания напряжения на переходе эмиттер-коллектор регулирующего транзистора (при коммутации внешних цепей), способному вызвать кратковременные пробои данного перехода даже при напряжениях, не превышающих

0 предельно допустимых значений. В результате этого при повреждениях внешней цепи в разрядах происходят кратковременные выброцы тока до значений тока короткого замыкания источника (если бы не было стабилизатора тока), которые приводят к увеличению знергии разряда, а следовательно, и к нарушению искробезопасности цепи.

Наличие емкости, шунтирующей переход коллектор-база регулирующего транзистора без наложения требований к ее величине при больших перепадах напряжения на стабилизаторе тока не исключают пробоя данного перехода и нарушения искрозащитных свойств транзистора, кактокоограничительного элеменУа, Таким образом, рассмотренные способы и технические решения не позволяют обеспечить одновременно требуемую искробезопасную мощность, стабильность и точность измерения датчиков азрогазового контроля при дистанционном питании их по длинным линиям с изменяющимся омическим сопротивлением, так как нагрузочная характеристика линии и датчика не позволяет поддерживать на заданном уровне ток и напряжение на входе датчика. Целью изобретения является повыше ние искробезопасности, стабильности и точ ности измерений параметров рудничной атмосферы. Согласно способу искробезопасного дистанционного питания шахтных датчиков аэрогазового контроля, основанному на придании нагрузочной характеристике источника электрической энергии нелинейного характера, на выходе источника в линии электропитания стабилизируют ток в диапазоне возможного изменения сопротивлений линии и датчика, а на выходе линии непосредственно в датчике стабилизируют напряжение в диапазоне изменения его входного сопротивления. Кроме того, в устройстве искробезопасного дистанционного питания шахтных датчиков аэрогазового контроля, содержащем источник электрической энергии, стабилизатор тока на регулирующем транзисторе, линию электропитания и датчик, в датчик вводят стабилизатор напряжения, подключенный параллельно цепи питания, а в стабилизаторе тока в цепь базы регулирующего транзистора включают диод, переход эмиттер-коллектор зашунтирован емкостью, величина которой выбирается исходя из допустимой для данного транзистора скорости нарастания напряжения на переходе эмиттер-коллектор в соответствии с условием: где Ra - сопротивление в цепи эмиттера регулирующего транзистора; frp - граничная частота работы транзистора. На фиг.1 представлена структурная схема устройства для реализации способа;на фиг.2 и 3 - принципи альные электрические схемы устройства для реализации способа искробезопасного дистанционного питания датчиков аэрогазового контроля от источников переменного и постоянного токов. Устройство содержит источник 1 электрической энергии переменного (фиг.2) или постоянного (фиг.З) тока, стабилизатор 2 тока на регулирующем транзисторе 3, линию б электропитания и датчик 7 аэрогазового контроля, причем в датчик введен стабилизатор 8 напряжения, подключенный параллельно цепи питания, а в стабилизаторе 2 тока в цепь базы регулирующего транзистора 3 включен диод 4, эмиттер-коллекторный переход зашунтирован емкостью 5, величина которой выбирается исходя из допустимой для регулирующего транзистора 3 скорости нарастания напряжения на переходе эмиттер-коллектор в соответствии с условием: где RS - сопротивление в цепи эмиттера регулирующего транзистора; frp - граничная частота работы транзистора 3. В качестве источника 1 питания в устройстве может быть использован трансформатор (фиг.2) или трансформатор с выпрямителем (фиг.З). Стабилизаторы 2 тока в устройстве отличаются только спецификой их работы на переменном и постоянном токе и формированием опорного напряжения. В устройстве на фиг.2 это достигается дополнительной обмоткой трансформатора, работающего в режиме насыщения по принципу феррорезонансного стабилизатора напряжения, а в устройстве на фиг.З опорное напряжение формируется на стабилитроне. Стабилизаторы 2 тока выполнены совместно с источниками 1, а стабилизаторы 8 напряжения выполнены в датчиках 7 совместно с их электрическими преобразователями 9. Устройство, реализующее способ, функционирует следующим образом. В нормальном режиме работы по линии б независимо от величины ее омического сопротивления протекает ток, постоянный по величине и с сохранением формы. В зависимости от изменяющегося входного сопротивления датчика 7 ток перераспределяется между стабилизатором 8 напряжения и преобразователем 9 датчика 7 таким образом, что мощность, подводимая к датчику 7 и реализуемая им, остается постоянной за счет стабилизации напряжения.

При коротком замыкании линии 6 на выходе стабилизатора 2 тока скорость нарастания напряжения на переходе змиттерколлектор регулирующего транзистора 3 не достигает опасных для пробоя значений путем выбора оптимальной величины емкости 5. Это значение определяется из постоянной времени заряда RC, обеспечивающей время нарастания фронта напряжения, эквивалентное периоду Т граничной частоты frp для данного типа транзистора 3. Исключение всплесков тока позволяет снизить энергию разряда, повысить искробезопасную мощность на выходе стабилизатора 8 напряжения, а следовательно, увеличить протяженность линии 6. Включение диода

4в цепь базы транзистора 3 также повышает искробезопасность путем исключения возможности пробоя по описанным причинам перехода база-коллектор транзистора 3.

На основе предлагаемых способа и устройства был изготовлен экспериментальный образец источника питания, а в серийно выпускаемый датчик метана ДМТ-4 введен стабилизатор напряжения. Испытания на искробезопасность на стандартном искрообразующем устройстве МЭК показывают, что при напряжении источника питания и 65 В, токе ICT 40 мА, емкости, шунтирующей транзистор, С 3000 пФ, длине линии, содержащей источник питания с датчиком, до

5км (кабель ТАШ, R 375 Ом) схема является искробезопасной во всех режимах, обеспечивая .постоянство передаваемой мсЦности.

Применение изобретения позволяет повысить искробезопасность протяженных линий электропитания, стабильность и точность измерений датчиков аэрогазового контроля параметров рудничной атмосферы. Формула изобретения 1.Способ искробёзопасного дистанционного питания шахтных датчиков аэрога.зового контроля, заключающийся в формировании нелинейной нагрузочной характеристики источника питания, отлича ющ. и и с я тем, что, с целью повышения надежности аэрогазового контроля путем стабилизации мощности,,подводимой к датчикам на всем протяжении линий связи, на выходе источника питания стабилизируют ток в диапазоне изменения нагрузки, а на входе

датчика стабилизируют напряжение в диапазоне изменения его входного сопротивления.

2.Устройство искробёзопасного дистанционного питания шахтных датчиков аэрогазового контроля,содержащее источник питания, выход которого через стабилизатор тока подключен к линии связи, и датчик аэрогазового контроля, причем стабилизатор тока содержит первый резистор, первый

вмвод которого является входом стабилизатора тока, а второй подключен к эмиттеру транзистора, коллектор которого является выходом стабилизатора, и стабилитрон, о тличающееся тем, что, с целью повышения надежности аэрогазового контроля путем стабилизации мощности, устройство снабжено стабилизаторами напряжения по числу датчиков аэрогазового контроля, входы которых подключены к выходам линии

связи, а выходы - к входам датчиков аэрогазового контроля, а стабилизатор тока снабжен диодом и конденсатором; установленным между эмиттером и коллектором регулирующего транзистора, катод диода

подключен к базе транзистора, а анод - к катоду стабилитрона, анод которого подключен к входу стабилизатора тока, величина емкости конденсатора выбирается в соответствии с условием

-frp,

где Ra - сопротивление в цепи эмиттера регулирующего транзистора, frp - граничная частота работы транзистора.

Изобретение может быть использовано в автоматической газовой защите. Цель - повышение надежности аэрогазового контроля путем стабилизации мощности, подводимой к датчикам на всем протяжении линии связи. Способ основан на придании нагрузочной характеристике источника электрической энергии нелинейного характера. На выходе источника в линии электропитания стабилизируют ток в диапазоне возможного изменения сопротивлений линий и датчика, а на выходе линии непосредственно в датчике стабилизируют напряжение в диапазоне изменения его входного сопротивления. Устройство, реализующее данный способ, содержит источник 1 электрической энергии, стабилизатор 2 тока на регулирующем транзисторе 3, линию 6 электропитания и датчик 7 аэрогазового контроля. В датчик введен стабилизатор 8 напряжения, подключенный параллельно цепи питания, а в стабилизаторе 2 тока в цепь базы регулирующего транзистора 3 включен диод 4. Переход эмиттер-коллектор регулирующего транзистора зашунтирован емкостью, величина которой выбирается исходя из допустимой для данного транзистора скорости нарастания напряжения на переходе эмиттер-коллектор. 2 с.п.ф-лы, 3«л.ОVI VI00