Переносной шахтный сигнализатор кислорода Советский патент 1992 года по МПК E21F17/18 

1

VJ

ГО

со

00

VI

элемент 19 контроля концентрации кислорода с регулирующим потенциометром 20, пороговый элемент 21 контроля разряда источника питания с регулирующим потенциометром 22, ключевой транзистор 23 с сигнализирующим светодиодом 24, а также ряд сопрягающих элементов (резисторов диодов), обеспечивающих нормальную работу пороговых элементов 19, 21 и ключевого транзистора 23. Стабилизированный источник 4 питания содержит стабилизатор напряжения, собранный на

транзистор 26 и стабисторе 27 с сопрягающим резистором, и источник 25 питания, представляющий собой неразборный блок, в котором по требованиям взрывозащиты собраны два аккумулятора с ограничительным сопротивлением. Стабилизированный источник 4 питания соединен со схемой сигнализатора плюсовой шиной 16 (эмиттер транзистора 26) и общим проводом t5. Кроме того, плюсовой вывод источника 25 питания соединен с входом порогового элемента 21 контроля разряда. 1 ил.

Сущность изобретения: переносной шахтный сигнализатор кислорода содержит электрохимический датчик 1 кислорода, последовательно соединенные терморезистор 2 (термистор) 2 и подстроечной резистор 3, которые подключены параллельно датчику 1 кислорода, стабилизированный источник 4 питания и измерительный блок 5. содержащий дифференциальный усилитель 6, к выходу которого подключен блок 7 сигнализации, соединенный другим входом с плюсовым выводом источника 4 питания. Отличительной особенностью предлагаемого сигнализатора кислорода является введение операционного усилителя 8 с тремя резисторами 9-11 и транзистора 12 с подключенным к его эмиттеру вторым терморезистором (термистором) 13, которые образуют преобразователь 14 напряжение - ток. В измерительный блок 5 входят дифференциальный усилитель б, коэффициент усиления которого регулируется при помощи потенциометра 17, и измеритель 18 концентрации кислорода, подключенный к выходу дифференциального усилителя 6. Блок 7 сигнализации содержит пороговый ъ Ј

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим средствам газовой защиты, и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля концентра- 5 ции кислорода в шахтной атмосфере и предупредительной сигнализации о снижении концентрации кислорода в шахте ниже допустимых норм.

Известен переносной сигнализатор 10 кислорода Комбиварн-С, который основан на электрохимическом принципе измерения концентрации кислорода и содержит электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены терморе- 15 зистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания.

Однако этот сигнализатор имеет недостаточно высокую точность измерения 20 концентрации кислорода вследствие значительной температурной погрешности (0,09 об.% °С), поскольку термокомпенсация датчика кислорода осуществляется одним терморезистором, подключенным параллельно 25 датчику. При этом, как правило, не удается полностью скомпенсировать всю температурную погрешность датчика в рабочем ди-. апазоне температур, так как необходимо подбирать пары датчиков кислорода и 30 терморезисторов с одинаковыми по абсолютной величине температурными коэффициентами, разброс которых велик (±40%). Процесс настройки в этом случае затруднен. Температурная погрешность 35 этого сигнализатора обусловлена остаточной разностью температурных коэф- фициёнтов датчика и терморезистора, полученной в результате их подбора, и, кроме того, она зависит от разброса величины 40 сопротивления терморезистора, так как напряжение на выходе датчика кислорода зависит от величины сопротивления нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстро- ечный резистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания.

Известный сигнализатор имеет недостаточно высокую точность измерения концентрации кислорода из-за значительной температурной погрешности, поскольку температурная компенсация датчика кислорода осуществляется одним терморезисто- ром, подключенным параллельно датчику, а для настройки термокомпенсации датчика использован подстроечный резистор, включенный последовательно с терморезистором. При таком структурном построении схемы термокомпенсации датчика кислорода из-за малых значений температурных коэффициентов сопротивлений серийных терморезистороа по сравнению с температурными коэффициентами напряжения электрохимического датчика не удается обеспечить требуемую термокомпенсацию, а следовательно, и точность измерения в интервале рабочих температур. Наличие последовательно включенного с терморезистором подстроечного резистора уменьшает влияние терморезистора на датчик кислорода, которое не достаточно для термокомпенсации даже при равенстве нулю этого подстроечного резистора, что затрудняет процесс настройки.

Цель изобретения - повышение точности измерения концентрации кислорода путем уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстроечный резистор и последовательно соединённые измерительный блок, блок сигнализации и стабилизи- рованный источник питания, введены операционный усилитель с резисторами, транзистор и дополнительный терморезистор, один вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с одним из входов измерительного блока, другой вывод дополнительного терморезистора через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя, через второй резистор - с общим проводом и непосредственно - с другим входом измерительного блока, прямой вход операционного усилителя соединен с положительным электродом электрохимического датчика кислорода, отрицательный электрод кото- рого через третий резистор подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, коллектор которого соединен с плюсовой шиной стабилизированного ис- точника питания.

Такое выполнение сигнализатора обеспечивает уменьшение температурной погрешности, в результате чего повышается точность измерения концентрации кислрро- да. Кроме того, упрощается процесс настройки.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого сигнализатора.

Переносной шахтный сигнализатор кислорода содержит электрохимический датчик 1 кислорода, последовательно соединенные терморезистор (термистор) 2 и подстроечный резистор 3, которые подклю- чены параллельно датчику 1 кислорода, стабилизированный источник 4 питания и измерительный блок 5, включающий дифференциальный усилитель 6, к выходу которого подключен блок 7 сигнализации, соединенный другим входом с плюсовым выводом источника 4 питания.

В сигнализатор кислорода введен операционный усилитель 8 с тремя резисторами 9 - 11 и транзистор 12 с подключенным к его эмиттеру вторым термистором 13, которые образуют преобразователь 14 напряжение - ток.

Прямой вход операционного усилителя 8 соединен с положительным электродом

датчика 1 кислорода, первый резистор 9 включен между инверсным входом операционного усилителя 8 и общим проводом 15 стабилизированного источника 4 питания. Второй резистор 10 подключен к инверсному входу операционного усилителя 8 и третьему резистору 11, который соединен с вторым термистором 13 и общим проводом 15. База транзистора 12 соединена с выходом операционного усилителя 8, а коллектор подключен к плюсовой шине 16 стабилизированного источника 4 питания. Второй термистор 13 подключен между входами дифференциального усилителя 6. причем его прямой вход подключен к эмиттеру транзистора 12.

В измерительный блок 5 входят дифференциальный усилитель 6, коэффициент усиления которого регулируется при помощи потенциометра 17, и измеритель 18 концентрации кислорода, подключенный к выходу дифференциального усилителя 6.

В качестве измерителя 18 концентрации кислорода может быть использован стрелочный (аналоговый) или цифровой вольтметр, шкала которого проградуирова- на в об.% 02.

Блок 7 сигнализации содержит пороговый элемент 19 контроля концентрации кислорода с регулирующим потенциометром 20, пороговый элемент 21 контроля разряда источника питания с регулирующим потенциометром 22, ключевой транзистор 23 с сигнализирующим светодиодом 24, а также ряд сопрягающих элементов (резисторов, диодов), обеспечивающих нормальную работу пороговых элементов 19 и 21 и ключевого транзистора 23.

Вход порогового элемента 19 контроля концентрации кислорода блока 7 сигнализации соединен с выходом дифференциального усилителя 6 измерительного блока 5, а вход порогового элемента 21 контроля разряда соединен с плюсовым выводом источника 25 питания..

Уставка срабатывания сигнализации по концентрации кислорода регулируется потенциометром 20, а уставка срабатывания сигнализации разряда источника 25 питания - потенциометром 22. Выходы пороговых элементов 19 и 21 соединены через сопрягающие диоды и резистор с базой ключевого транзистора 23, к коллектору которого подключен сигнальный светоди- од24.

Стабилизированный источник 4 питания образуют стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе 26 и стабисторе 27 с сопрягающим резистором, и источник 25 питания, представляющий собой неразборный блок, в котором по требованиям взрывозащиты собраны два аккумулятора с ограничительным сопротивлением. Стабилизированный источник 4 питания соединен со схемой сигнализатора плюсовой шиной 16 (эмиттер транзистора 26) и общим проводом 15. Кроме того, плюсовой вывод источника 25 питания соединен с входом порогового элемента 21 контроля разряда.

Коллектор транзистора 26 стабилизированного источника 4 соединен с плюсовым выводом источника 25 питания, а база транзистора 26 - с анодом стабистора 27.

Сигнализатор работает следующим образом.

При поступлении кислорода на датчик 1 напряжение с его выхода, пропорциональное концентрации кислорода, подается на вход операционного усилителя 8, который вместе с транзистором 12, резисторами 9 - 11 и термистором 13 представляет собой преобразователь 14 напряжение-ток. Поэтому ток, протекающий через термистор 13, пропорционален напряжению с выхода датчика и не зависит от величины терми- стора 13.

Падение напряжения на термисторе 13, следовательно, пропорционально концентрации кислорода; оно поступает на вход дифференциального усилителя 6.

При повышении температуры при постоянной концентрации кислорода напряжение на выходе датчика увеличивается по экспоненциальному закону в зависимости от температуры; Сопротивление термистора 2 при этом экспоненциально уменьшается, однако его влияние на входное напряжение усилителя 8 ограничено величиной подстроечного резистора 3, который предназначен для осуществления настройки схемы термокомпенсации, необходимой из-за наличия разбросов температурных коэффициентов датчика 1, термисторов 2 и 13 и разброса величины термистора 2.

Изменение резистора 3 осуществляется так, чтобы получить минимальную температурную погрешность измерения концентрации кислорода.

Резистор 10 включен в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 8 с регулирующим транзистором 12, за счет чего обеспечивается функционирование преобразователя 14 напряжение - ток,

Основная термокомпенсация в предлагаемом сигнализаторе осуществляется за счет наличия второго термистора 13, включенного в цепь преобразователя 14 напряжение - ток, поскольку влияние первого термистора 2 невелико и ограничено подстроенным-резистором 3. При экспоненциальном увеличении тока от температуры через термистор 13 ввиду увеличения от температуры напряжения датчика 1 величина термистора 13. в свою очередь, экспоненциально уменьшается с повышением температуры. Поэтому падение напряжения на термисторе 13 остается практически постоянным с увеличением температуры в

0 пределах заданной величины температурной погрешности, поскольку суммарный температурный коэффициент термистора 2 с подстроечным резистором 3 и термистора 13 близок по абсолютной величине к темпе5 ратурному коэффициенту датчика 1 кислорода.

Включение второго термистора 13 в цепь преобразователя 14 напряжение - ток позволяет получить по сравнению с

0 известным устройством минимальную температурную погрешность измерения концентрации кислорода, на которую не оказывает влияние разброс величины второго термистора 13 - основного термокомпен5 сирующего элемента, а разброс величины термистора 2 устраняется подстроечным резистором 3, при этом не требуется подбирать точно подстроечный резистор 3, так как влияние термистора 2 на погрешность не0 велико, ввиду его неполного включения, ограниченного резистором 3.

Таким образом, процесс настройки по сравнению с известным устройством упрощается и одновременно повышается точ5 ность измерения концентрации кислорода в результате уменьшения температурной погрешности.

Постоянные резисторы 9-11 определяют коэффициент передачи преобразователя

0 14 напряжение - ток, причем этот коэффициент передачи прямо пропорционален величине резистора 10 и обратно пропорционален величинам резисторов 9 и 11.

Транзистор 12 обеспечивает необходи5 мое усиление по току в цепи эмиттера при работе на термистор 13, являющийся нагрузкой преобразователя 14 напряжение - ток, благодаря стабилизирующим свойствам которого отсутствует влияние измене0 ния напряжения питания на величину выходного сигнала на термисторе 13. Это имеет значение при питании переносного сигнализатора кислорода от аккумуляторов блока 25, напряжение которого снижается

5 во времени при разряде аккумуляторов.

При уменьшении температуры работа схемы сигнализатора аналогична описанной при увеличении температуры.

При уменьшении концентрации кисло- лода в шахтной атмосфере напряжение датчика 1 на входе операционного усилителя 8 также уменьшается пропорционально концентрации 02. При этом уменьшается падение напряжения на термисторе 13 и, следовательно, напряжение на выходе диф- ференциального усилителя 6, которое поступает на измеритель 18 концентрации кислорода и на вход порогового элемента 19. При достижении концентрацией кислорода уставки срабатывания, которая регули- руется потенциометром 20, напряжение на выходе порогового элемента 19 скачкообразно возрастает, открывается ключевой транзистор 23 и включается светодиод 24, сигнализирующий о недостатке кислорода в шахтной атмосфере.

Уставка срабатывания по концентрации кислорода выбирается равной 18 об.% Ог при помощи потенциометра 20. Предварительно при помощи потенциометра 17 уста- навливается на чистом воздухе показание 21 об.% 02 по шкале измерителя 18 концентрации кислорода при нормальной температуре (20 ±5°С).

При снижении напряжения источника 25 питания до величины уставки срабатывания порогового элемента 21 по мере разряда аккумуляторов напряжение на выходе порогового элемента 21 скачкообразно возрастает, открывается транзистор 23 и включается светодиод 24, сигнализируя о разряде источника 25 питания. Уставка срабатывания порогового элемента 21 регулируется потенциометром 22.

Сигнализатор питается от источника 25 тока через известный стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе 26 и стабисторе 27, который является также источником опорного напряжения.

Эксперименты показали, что темпера- турная погрешность измерения концентрации кислорода предлагаемого сигнализатора не превышает ±0,06 об.% Ог/°С в диапазоне рабочих температур 5 - 35°С. что в 1,5;

раза меньше по сравнению с известными стабилизаторами. Это соответствует требованиям ГОСТ 26773-88.

Применение предлагаемого переносного сигнализатора кислорода на шахтах, опасных по газу, позволяет повысить уровень техники безопасности и уменьшить простои горнорабочих по газовому фактору за счет повышения точности измерения концентрации кислорода и срабатывания сигнализации.

Формул а, изобретения Переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстроеч- ный резистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения концентрации кислорода за счет уменьшения температурной погрешности, в него введены операционный усилитель с резисторами, транзистор и дополнительный терморезистор, один вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с одним из входов измерительного блока, другой вывод дополнительного терморезистора через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя, через второй резистор - с общим проводом и непосредственно - с другим входом измерительного блока, прямой вход операционного усилителя соединен с положительным электродом электрохимического датчика кислорода, отрицательный электрод которого через третий резистор подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, коллектор которого соединен с плюсовой шиной стабилизированного источника питания.