Переносной шахтный сигнализатор метана Советский патент 1992 года по МПК E21F17/18 E21F9/00 

Изобретение относится к горной автоматике, более конкретно к средствам автоматической сигнализации о концентрации метана в месте нахождения шахтера в выработке, и может быть использовано в опасных по газу угольных шахтах, на нефтепроводах, нефтеперерабатывающих предприятиях, химических предприятиях, тепловых электростанциях, коксохимических заводах и других предприятиях, где возможны процессы метановыделения и достижения метаном уровней опасных его концентраций в воздухе.

Известен переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, соединенный с блоком сигнализации, один из выходов которого подключен к измерителю концентрации метана, источник питания, плюсовая шина которого соединена с одним из входов блока сигнализации и управляющим элементом стабилизатора напряжения, а минусовая шина подключена к стабилизатору напряжения, блоку сигнализации, измерителю концентрации и одному из входов датчика метана, другой вход которого объединен с другим входом блока сигнализации и подключен к выходу управляемого элемента стабилизатора напряжения, пороговый блок, выполненный на ключевом транзисторе и оптопаре, при2

О

-Гь 00 Os

чем оптопара соединена с ключевым транзистором, который подключен к управляющему элементу стабилизатора напряжения, при этом минусовая шина источника питания подключена к оптопаре и ключевому транзистору, а плюсовая - к оптопаре 1.

Известен переносной шахтный сигнализатор метана который содержит дополни- тел1ьный операционный усилитель, транзистор потенциометр,-крайние выводы которого подключены к шинам стабилизатора напряжения, а его средний вывод - к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом датчика метана, второй вИвод которого подключен к операционной шине стабилизатора, а третий вывод - к входу блока сигнализации и к эмиттеру транзистора, коллектор которого подключен к положительной шине источника питания, а база - к выходу операционного усилителя 2.

Недостатками известного переносного шахтного сигнализатора метана являются большой вес, высокая стоимость и большое энергопотребление. Это связано со следующими основными обстоятельствами: использование автономного источника питания для сигнализатора, постоянным подключением схемы сигнализатора к источнику питания, отсутствием звуковой сигнализации при превышении концентраций метана заданного порога, наличием отдельного корпуса для источника питания и схемы сигнализатора и размещением датчика метана в этом корпусе.

Целью изобретения является экономия электроэнергии и снижение веса за счет отключения части схемы сигнализатора при допустимых концентрациях метана, использование аккумуляторов шахтного головного светильника в качестве источника питания и установки датчика метана в фаре головного светильника. Кроме того, изобретение позволяет улучшить условия безопасности За счет подачи звукового сигнала при превышении концентрацией метана заданного порога, за счет установки датчика метана в фаре светильника и за счет совмещения сиг- нализатбрё метана с шахтным головным светильником. Все эти подцели в изобретении достигаются одновременно.

Поставленная цель достигается тем, что переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, первый выход которого обьединен с эмиттером транзистора и подсоединен к входу блока сигнализации, зыход которого соединен с первым входом индикатора концентрации, а второй выход - к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, источник питания, плюсовая шина которого соединена с коллектором транзистора и управляющим входом стабилизатора напряжения, а минусовая - с вторым входом индикатора концентрации и другим входом стабилизатора напряжения, снабжен ключевым транзистором с резистором в цепи базы и

0 двухпозиционной кнопкой без фиксации, источник питания выполнен в виде аккумулятора шахтного голтэвного светильника, в фаре которого расположен датчик метана, блок сигнализации включает усилитель,

5 компаратор, первый инвертор, последовательно соединенные генератор низкой частоты, второй инвертор, ключевой элемент и звуковой сигнализатор, а также генератор высокой частоты, причем вход усилителя яв0 ляется первым входом блока сигнализации, а выход соединен с входом компаратора, а также является первым выходом блока сигнализации, выход компаратора подключен к входу инвертора, выход которого подсоеди5 нен к входу генератора низкой частоты, а также является вторым выходом блока сигнализации, причем вход и первый выход генератора высокой частоты подсоединен к стабилизатору напряжения, а второй выход

0 - к звуковому сигнализатору, кроме того второй выход блока сигнализации через нормально замкнутый контакт двухпозиционной кнопки без фиксации и резистор с базой ключевого транзистора, а через нор5 мально разомкнутыйГконтакг с положительной шиной стабилизатора напряжения, при этом положительная шина источника питания через коллекторно-эмиттер ный переход ключевого транзистора подключена ктреть0 ему входу индикатора концентрации.

На фиг.1 показана функциональная схема переносного шахтного сигнализатора метана; на фиг.2 - то же, принципиальная схема.

5 Переносной шахтный сигнализатор содержит: датчик метана (Д) 1, соединенный с блоком сигнализации (БС) 2, выход которого подключен к индикатору концентрации метана (ИК) 3; источник питания (ИП) 4 плюсо0 вая шина которого соединена с управляющим входом стабилизатора напряжения (СТ) 5, а минусовая шина подключена к стабилизатору напряжения 5, блоку сигнализации 2, индикатору концентрации 3 и ко

5 второму выводу датчика метана 1. Крайние выводы потенциометра 6 подключены к шинам стабилизатора напряжения 5, а средний вывод потенциометра б подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя (ОУ) 7, инвертирующий вход которого соединен с третьим выводом датчика метана 1, первый вывод которого соединен с эмиттером транзистора 8, коллектор которого подключен к плюсовой шине источника питания 4, а база - к выходу операционного усилителя 7.

Переносной шахтный сигнализатор метана снабжен ключевым транзистором 9 с резистором 10 в цепи базы и двухпозицион- ной кнопкой безфиксации 11. Блоксигнали- зации 2 выполнен в виде цепи из последовательно соединенных усилителя (У) 12. компаратора (К) 13, первого инвертора 14, генератора низкой частоты (ГНЧ) 15, второго инвертора 16, ключевого элемента (БКЭ) 17, звукового сигнализатора (3) 18 и генератора высокой частоты (ГВЧ) 19. Индикатор концентрации метана 3 выполнен в виде трех цифровых индикаторов 20, 21, 22. Источник питания 4 выполнен в виде аккумуляторов шахтного головного светильника, в фаре которого установлен датчик метана 1. Шина питания трех цифровых индикаторов 20,21,22 через переход эмиттер- коллектор ключевого транзистора 9 соединена с положительной шиной аккумуляторной батареи источника питания 4. Резистор 10 цепи базы ключевого транзистора 9 соединен через нормально замкнутый контакт двухпозиционной кнопки без фиксации 11с выходом первого инвертора 14 блока сигнализации 2, а через нормально разомкнутый контакт соединен с выходом стабилизатора напряжения 5.

Датчик метана 1 состоит из рабочего 23 и сравнительного 24 элементов. Индикатор концентрации метана 3 собран на аналого- цифровом преобразователе (АЦП) 25, резисторах 26-32, конденсаторах 33-38. Источник питания 4 содержит три аккумулятора 39-41 НКГК-11Д и предохранитель 42. Стабилизатор напряжения 5 выполнен на основе операционного усилителя 43, мостового выпрямителя 44, транзистора 45, а также содержит резисторы 46-49, терморезистор 50, стабистор 51 и конденсаторы 52-54. Усилитель 12 состоит из операционного усилителя 55, резисторов 56, 58-62 и переменных резисторов 57,63. Компаратор 13 содержит операционный усилитель 64, резисторы 65-69, конденсатор 70, диод 71.

Генератор низкой частоты 15 собран на основе двух элементов 2И-НЕ 72, 73, резистора 74 и конденсатора 75. Причем инверторы 14 и 16 выполнены на основе двух элементов 2И-НЕ, которые собраны вместе с двумя другими элементами 2И-НЕ 72, 73 в одном корпусе микросхемы К561ЛА7 (в корпусе 4 элемента 2И-НЕ). Блок ключевого

элемента 17 состоит из транзистора 76, диода 77. резистора 78 и конденсатора 79. Генератор высокой частоты выполнен в виде импульсного генератора на основе транзисторов 80, 81, резисторов 82-85, конденсаторов 86. 87 и повышающего трансформатора 88.

Работа переносного шахтного сигнализатора метана осуществляется следующим

0 образом. Напряжение аккумуляторов 39-41 источника питаний 4 подается на коллектор и через резистор 49 на базу управляющего элемента (транзистора) 45 стабилизатора напряжения 5. На эмиттере транзистора 45

5 появляется напряжение, необходимое для питания генератора высокой частоты 19 блока сигнализации 2. Генератор высокой частоты 19 начинает вырабатывать импульсное напряжение на выходных обмотках

0 трансформатора 88.J3ro импульсное напряжение подается на мостовой выпрямитель

44,выпрямляется и сглаживается при помощи конденсаторов 53,54 стабилизатора напряжения 5. В результате с мостового

5 выпрямителя снимается напряжение +5В, необходимое для питания остальных функциональных блоков сигнализатора. Напряжение +5В стабилизируется при помощи операционного усилителя 43. На его инвер0 тирующий вход через делитель напряжения из резисторов 46, 47 подается потенциал, пропорциональный напряжению +5В, а на неинвертирующий вход-опорное напряжение, падающее на стабисторе 51. При раз5 ряде аккумуляторов 39-41 источника питания 4 уменьшается напряжение на эмиттере транзистора 45 и, следовательно, уменьшается напряжение +58. Уменьшается потенциал на инвертирующем входе опе0 рационного усилителя 43, на его выходе потенциал возрастает, и через резистор 48 возрастает потенциал на базе транзистора

45.Проводимость тданзистора 45 увеличивается и, следовательно, происходит увели5 чение напряжения на его эмиттере и повышение напряжения на выходе мостового выпрямителя 44 до номинального значения +5В. Номинальное значение +5В подстраивается при помощи резистора 47.

0 который подбирается при изготовлении.

Датчик метана 1 собран на рабочем 23 и сравнительном 24 элементах. Рабочий элемент 23 выполнен в виде спирали из платинового микропровода с нанесенным на

5 него каталитическим покрытием. При подаче метана на рабочем элементе происходит его окисление и выделяемая при этом энергия преобразуется в приращение сопротивления рабочего элемента. Поскольку общая точка рабочего и сравнительного элементов

соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 7, а на неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подается потенциал с потенциометра 6, равный половине напряжения питания датчика при отсутствии метана, на общей точке датчика метана происходит стабилизация напряжения. Следовательно,, рабочий элемент питается стабилизированным током. При изменении сопротивления рабочего элемента 23 будет изменяться напряжение на нем, и в результате будет изменяться напряжение на эмиттере транзистора 8. Это напряжение усиливается операционным усилителем 55. При отсутствии метана при помощи переменного резистора 57 на выходе операционного усилителя 55 устанавливается нулевое напряжение. При подаче метана переменным резистором 63 подстраивают в широких пределах коэффициент усиления операционного усилителя. С выхода усилителя 12 сигнал поступает на вход индикатора концентрации метана 3. Аналоговый сигнал с выхода усилителя через делитель напряжения из резисторов 27, 28 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП 25, Открытый коллекторный выход АЦП сопрягается с тремя се- мисегментными цифровыми индикаторами 20 - 22, Цифровой индикатор 22 дает ин- формацию о целых, индикатор 21 - о десятых, индикатор 20-о сотых долях процента концентрации метана. В АЦП имеется индикация полярности входного сигнала, осуществляемая зажиганием запятой в цифровом индикаторе 20 при отрицательном входном сигнале.

Снижение энергопотребления осуществляется путем отключения цифровой индикации при концентрациях метана ниже допустимого порога - 2%. При достижении концентрацией метана) этого порога сигнал на инвертирующем входе операционного усилителя 64, работающего в режиме компаратора, становится равным напряжению уставки, создаваемому при помощи делителя напряжения из резисторов 66, 67. На выходе операционного усилителя потенциал изменяется с положительного на отрицательный. При помощи резистора 69 и диода 71 абсолютная величина потенциала снижается1 до величины сигнала логического О, подаваемого на инвертор 14., На выходе инвертора возникает потенциал логической Г, который через нормально замкнутый контакт двухпоэиционной кнопки 11 и резистор 10 отпирает ключевой транзистор 9, тем самым запитываются цифровые индикаторы. Переносной шахтный сигнализатор метана начинает выдавать цифровую информацию о концентрации метана, Одновременно потенциал логической 1 подается на вход генератора низкой частоты 15. На выходе генератора формируются импульсы с частотой 1 Гц. Длительность импульса и паузы равны между собой. Импульсы инвертируются при помощи инвертора 16 и подаются на базу транзистора 76 блока ключевого элемента 17. Транзи0 стор поочередно отпираться и запираться. Звуковой сигнализатор 18 подключен через блок ключевого элемента 17 к выводам первичной и вторичной обмоток генератора высокой (звуковой)частоты

5 19. В момент, когда транзистор 76 заперт, через звуковой сигнализатор 18 ток не будет протекать, так как однополярный ток через диод 77 заряжает койТДенсатор 79 и дальнейшее его протекание прекращается. В мо0 мент, когда транзистор 76 отпирается, в цепь звукового сигнализатора протекает переменный ток: в прямом направлении - через транзистор 76, в обратном - через диод 77. Таким образом, при концентрации метана

5 выше 2% осуществляется звуковая прерывистая сигнализация.

В переносном шахтном сигнализаторе метана предусмотрена возможность контроля концентрации метана, когда она не

0 достигла допустимого порога - 2%, путем нажатия двухпозиционной кнопки 11. На базу ключевого транзистора 9 подается положительный потенциал, последний отпирается и запитывает цифровые индика5 торы 20-22.

Техническими преимуществами по сравнению с известными являются: исключены автономные аккумуляторы сигнализатора метана, более чем на 50% уменьшен

0 вес, более чем на 25% снижено энергопотребление, повышен эффективность сигнализации за счет одновременного включения цифровых индикаторов и звукового сигнализатора при превышении концентрацией

5 метана 2% порога, более чем на 25% снижена стоимость (за счет исключения аккумуляторов и применения малогабаритного корпуса для схемы сигнализатора без акуу- мулятора), повышена эффективность конт0 роля концентрации метана за счет установки датчика в фаре и использования аккумуляторов шахтного светильника для питания схемы сигнализатора (при этом шахтер не сможет забыть сигнализатор,

5 так как он совмещен со светильником, имеет малые габариты и вес).

Формула изобретения Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, первый выход которого объединен с эмиттером

транзистора и подсоединен к входу блока синхронизации, выход которого соединен с первым входом индикатора концентрации, а второй выход - к инвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, источник питания, плюсовая шина которого соединена с коллектором транзистора и управляющим входом стабилизатора напряжения, а минусовая - с вторым входом индикатора концентрации и другим входом стабилизатора напряжения, отличающийся тем,что, с целью экономии электроэнергии и снижения веса, снабжен ключевым транзистором с резистором в цепи базы и двухпозицион- ной кнопкой без фиксации, источник питания выполнен в виде аккумулятора шахтного головного светильника, в фазе которого расположен датчик метана, блок сигнализации включает усилитель компаратор, первый инвертор и последовательно соединенные генератор низкой частоты, второй инвертор, ключевой элемент и звуковой сигнализатор, а также генератор высокой частоты, причем вход усилителя является первым входом блока сигнализации, а выход соединен с входом компаратора, а также

является первым выходом блока сигнализации, выход компаратора подключен к входу инвертора, выход которого подсоединен к входу генератора низкой частоты, а также является вторым выходом блока сигнали0 зации, причем вход и первый выход генератора высокой частоты подсоединены к стабилизатору напряжения, а второй выход - к звуковому сигнализатору, кроме того, второй выход блока сигнализации через

5 нормально замкнутый контакт двухпозици- онной кнопки без фиксации и резистор с базой ключевого транзистора, а через нормально разомкнутый контакт с положительной шиной стабилизатора напряжения, при

0 этом положительная шина источника питания через коллекторно-эмиттерный переход ключевого транзистора подключена к третьему входу индикатора концентрации.

Изобретение относится к горной автоматике, т.е. к средствам автоматической сигнализации о концентрации метана в листе нахождения шахтера в выработке и может быть использовано в опасных по газу угольных шахтах и других предприятиях возможны процессы метановыделения. Цель - экономия электроэнергии, снижение веса за счет отключения части схемы сигнализатора при допустимых концентрациях метана. Сущность изобретения. Переносной шахтный сигнализатор содержит датчик метана (1), блок сигнализации (2), индикатор концентрации метана (3), источник питания

Фиг.1