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

Изобретение относится к шахтной автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля опасности горных работ по метану, и может использоваться в опасных по внезапным выбросам метана шахтах для улучшения техники безопасности и увеличения производительности добычных

и проходческих машин. Безопасность улучшается за счет предотвращения взрывов метана путем своевременной точной сигнализации об опасных концентрациях метана, а производительность горных машин увеличивается за счет снижения количества ложных тревог в случаях, когда опасных концентраций метана в выработках в действительности нет.

Целью изобретения является повышение эксплуатационной я метрологической надежности работы переносного шахтного сигнализатора метана за счет предотвращения опрокидывания показаний при одновременной защите датчика метана от перегрузки, уменьшения основной абсолютной погрешности измерения метана, возможности измерения напряжения аккумуляторной батареи источника питания.

На фиг о 1 показана функциональная схема переносного шахтного сигнализатора метана; на фиг. 2 и 3 - принципиальная схема переносного шахтного сигнализатора метана.

Переносной шахтный сигнализатор метана содержит измеритель 1 концентрации метана, перйую цепь из последовательно соединенных стабилизатора 2 напряжения, управляющего элемента 3 стабилизатора напряжения, датчика 4 метана, блока 5 сигнализации, генератора 6 низкой частоты, элемента 2И-ИЕ 7 и блока 8 звуковой сигнализации, вторую цепь из последовательно соединенных источника 9 питаний, управляющего элемента 10, генератора 11 высокой частоты, выпрямителя 12 и стабилизатора 13 (с блокирующим входом). Выход стабилизатора 13 напряжения соединен с базой управляющего элемента 10„ Второй вход элемента 2И-НЕ 7 соединен с вторым выходом блока 5 сигнализации, второй вход ко- торог.о соединен с выходом элемента 2И-ЫЕ 7, а третий выход соединен с входом измерителя 1 концентрации метана. Выход источника 9 питания соединен с коллектором 3 управляющего элемента стабилизатора напряжений, выход которого соединен с управляющим входом стабилизатора 2 напряжения. Второй выход генератора 1f высокой частоты соединен с вторым входом бло- ка 8 звуковой сигнализации. Выход источника питания соединен с третьим входом блока 5 сигнализации и с вторым входом измерителя 1 концентрации.

Переносной шахтный сигнализатор метана содержит блок 14 оптопары, ключевой транзистор 15 я кнопку 16 без фиксации, которая включена между базой и эмиттером дополнительного управляющего элемента 10„ Выход источника 9 питания соединен с входом бло

5

ка 14 оптопары, выход которого через ключевой транзистор 15 соединен с бл кирующим входом дополнительного стабц лизатора 13 напряжения.

Измеритель 1 концентрации метана состоит из аналого-цифрового преобразователя (АЩ) 17, двух цифровых индикаторов 18, 19 светодиода 20, резисторов 21-31 и конденсаторов 32-36, Стабилизатор 2 напряжения собран на операционном усилителе 37, резисторах 38-42 и конденсаторах 43, 44, Термо- каталитический датчик 4 состоит из рабочего 45 и сравнительного 46 элементов, которые включены в мостовую измерительную схему, образованную ч резисторами 47-49, Блок 5 сигнализации включает в себя операционный усилитель 50, два компаратора 51, 52, транзистор 53, резисторы 54-70, конденсаторы 71-73, диоды 74-76 и свето- дяод 77. Генератор 6 низкой частоты собран на трех логических элементах 2И-НЕ 78-80, резисторе 81 и конденсаторе 82. Причем Элемент 2И-ПЕ 7 и элементы 2И-ЙЕ 78-80 собраны в одном корпусе микросхемы К561ЛА7, Впок 8 звуковой сигнализации состоят из транзистора 83, диода 84, телеф&йного капсюля 85, резистора 86 я конденсаторов 87, 88. Источник 9 питания со- держит два последовательно соединенных аккумулятора 89, 90 типа НКГК-11Д и резистор 91 для ограничения тока KopofKoro замыкания до ЮА. Генератор

11высокой частоты выполнен в виде импульсного генератора на основе транзисторов 92, 93, резисторов 94- 97, конденсаторов 98, 99 и повышающего трансформатора 100. Выпрямитель

12собран на мостовом выпрямителе 101 и сглаживающих емкостях 102, ЮЗ Стабилизатор 13 напряжения состоят

J из операционного усилителя 104, резисторов 105-108, конденсаторов 109, 110 и стабистора 111. Блок 14 опто- топары содержит собственно оптопару 112 и резисторы 113-116. Кнопка 16

п без фиксации содержит собственно кнопку 117 и резистор 118.

Переносной шахтный сигнализатор метана снабжен шунтирующим блоком 119, двумя цепямя из последовательно соединенных резистора 120, 121 и диода 122, 123, диодом 124, резистором 125, двухпознционной кнопкой 126 без фик сации, делителем 127 напряжения, а измеритель 1 концентрации метана

0

5

0

5

снабжен третьим цифровым индикатором 128. UyHтирующий блок состоит из транзистора 129 и диода 130. Делитель 127 напряжения выполнен на ре- зисторах 131 и 132. В цепь питания цифрового индикатора 128 введен ре- .зистор 133„

Выход измерителя 1 концентрации соединен через первую и вторую цепи из последовательно соединенных резисторов 120, 121 и диода 122, 123 в прямой направлении соответственно с входом стабилизатора 2 напряжения и с входом блока 5 сигнализации а через диод 124 в обратном направлении с вхрдом шунтирующего блока 119. Вход шунтирующего блока 119 через резистор 125 соединен с вторым выходом генератора 6 низкой частоты, а его выход соединен с третьим входом измерителя концентрации. Двух позиционная кнопка 126 без фиксации подключает вход измерителя 1 концентрации нормально замкнутым контактом к третьему выходу блока 5, а нормально разомкнутым через делитель 127 напряжения к источнику питания .

Работает переносной шахтный сигнализатор метана в первом режиме, т.е. в режиме измерения концентрации метана, следунщнм образом.

Для введения сигнализатора в первый режим необходимо нажать и отпус тить кнопку 117. При нажатии кнопки 117 от источника на базу управляющего элемента 10 попадает высокий потенциал, транзистор открывается и на его эмиттере появляется напряжение, необходимое для питания генератора 11 высокой частоты. Генератор начинает вырабатывать импульсное напряжение на выходных обмотках трансформатора 100. При помощи выпрямителя 12 это импульсное напряжение выпрямляется и сглаживается, В ре- зультате с выпрямителя снимается напряжение ±5 В, необходимое для питания остальных функциональных бло ков сигнализатора. После отпусканий кнопки 117 Начинается стабилизация напряжения питания ±5 В при помощи дополнительного стабилизатора 13 напряжения и дополнительного управляющего элемента (транзистора) 10. Напряжение питания + 5 В через делитель напряжения из резисторов 105, 106 подается на инверсный вход опе

5

5

0

5

0

5

0

5

рационного усилителя 104. На прямой его вход подается опорное напряжение, падающее на стабисторе 111 При разряде аккумуляторов источника питания снижается напряжение на эмиттере управляющего элемента 10 и, как следствие, уменьшается напряжение питания +5 В В результате уменьшается потенциал на инверсном входе операционного усилителя 104, на его выходе потенциал возрастает, и через резистор 108 возрастает потенциал на базе управляющего элемента 10. Проводимость последнего увеличивается, и, следовательно, происходит повышение напряжения на его эмиттере, а в результате и повышение напряжения питания до номинального значения 5 В. Номинальное значение Ј5 В подстраивается при помощи подборочного резистора 106. Напряжение источника питания от батареи аккумуляторов 89 и 90 подается на управляющий элемент 3 стабилизатора 2 напряжения. С выхода управляющего элемента (эмиттера транзистора) 3 снимается стабилизированное напряжение, необходимое для питания мостовой схемы термокаталитического датчика. Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. На прямой вход операционного усилителя 37 подается опорное напряжение через делитель напряжения, собранный на резисторах 40, 41. На инверсный вход через делитель напряжения, собранный на резисторах 38, 39, подается напряжение, пропорциональное стабилизированному Напряжению, снимаемому с эмиттера транзистора 3. При разряде аккумуляторов снижается потенциал на эмиттере транзистора 3 и, следовательно, на инверсном входе операционного усилителя 37, на его выходе потенциал возрастает, и через резистор 42 повышается потенциал базы транзистора 3. Проводимость последнего возрастает и вызывает повышение выходного напряжения дб номинального значения. Номинальное значение 1,6- 1,75 В выставляется подбором резистора 41. Датчик 4 метана состоит из последовательно соединенных рабочего 45 и сравнительного 46 элементов, совместно с балластными резисторами 47, 48, 49 образующих измерительный мост. Баланс моста производится потен циометрическим резистором 48, Количественное содержание метана

в воздухе определявши по изменению сопротивления рабочего терморезистора. Тепло, наделяемое при беспламенном сжигании метана на каталитически активной поверхности рабочего элемента, выэыва-ет повышение его српротив- ленйя и приводит к изменению велйчи-; ны разбаланса мостовой схемы, Выход моста подключен к входу усилителя блока 5 сигнализации, собранного на основе (операционного1 усилителя 50. Переменным резистором 58 йЙдСт раивают в широких пределах коэффициент усиления операционного усилителя. С выхода усилителя сигнал поступает на вход измерителя 1 концентрации метана. Аналоговый сигнал с выхода усилителя через делитель на- пряжения из резисторов 23, 26 И Г-образный RC-фильтр, образованный резистором 25 и конденсатором поступает на вход АЦП 17. Открытый коллекторный выход АЦП 17 сопрягаемся1 с двумя Семисегментными индикаторами 18, 19, В АЦП 17 имеется индикация полярности входного сигнала, осуществляемая при помощи светоди- ода 20, Показания цифровых индикаторов 18, 19 при помощи резисторов 48 и 58 подстраиваются под иэмерЯ- емый уровень концентрации метана в воздухе. Делитель из резисторов 21, 22 предназначен .для подачи на АЦП опорного напряжения 1,75 В, Ко ййён- сатор 32 и резистор 24 - элементы интегратора, резисто р 27 и конденсатор 36 - элементы генератора тактовых -импульсов.

Второй режим работы сигнализатора т.е. сигнализация о превышении концентрацией метана порога 2%, обеспечивается следующим образом,,

Потенциал на инверсном входе ком- паратооа 51 блока 5 сигнализаций до стигает уровня потенциала, создава- емого при помощи делителя напряжения из резисторов 59, 60. При помощи переменного резистора 60 мбйно изменять уставку срабатывания сигнали- Затора, На выходе компаратора 51 происходит смена полярности потенциала с положительного на отрицательный. При поморен резистора 62 и диода 75 абсолютная величина напряжения сни- жается до величины сигнала логического О, подаваемого на вход элемен 78 генератора низкой частоты. Элемент 2И-НЕ 78 в сигнализаторе

5

0

5

используется как элемент НС. С выхода элемента 2И-НЕ 78 сигнал логической 1 дает разрешение работы генерато- ра низкой частоты, попадая на вход элемента 2И-НЕ 79« На выходе элемента 2И-ПЕ 70 появляются импульсы с частотой 1 Гц„ Длительность импульса и паузы равны между собой. Импульсные

Q сигналы через элемент 2И-НЕ 7 попа- дают на базы транзисторов 53 (блок 5 сигнализации) и 83 (блок 8 звуковой сигнализации) и Начинают коммутацию прерывистой световой (светодиод 77 блока 5 сигнализации) и звуковой (капсюль 85 блока 8 звуковой сигнализации) сигнализации. Для обеспечения работы блока 8 звуковой сигнализации к телефонному капсюлю 85 через транзистор 83 и диод 84 Подается импульсное напряжение звуковой частоты, снима емое с первичной и вторичной обмоток трансформатора 100 генератора 11 высокой частоты. При запертом транзисто ре 83 переменный ток oflHqft полярности заряжает конденсаторы 87, 88 и дальнейшее его протекание прекращается Если транзистор 83 открыт, то путь для переменного тока через капсюль

0 85 открыт в обоих направлениях: в прямом через диод 84, в обратном через транзистор 83, и в таком случае осуществляется звуковая сигнализация. Третий режим работы сигнализатора, т.е. Сигнализация о разряде аккумуляторов источника 9 питания, осуществляется следующим образом.

На прямой вход компаратора 52 блока 5 подается напряжение, пропорциональное напряжению источника 9 питания, через делитель напряжения из резисторов 63, 65„ На инверсный вход компаратора 52 подается опорное напряжение, падающее на диоде 74о При разряде аккумуляторов до напряжения уставки 2,05i0,05 В потенциал на прямом входе компаратора становится меньше, чем на инверсном. На выходе компаратора появляется отрицательный потенциал, и при помощи диода 76 абсолютное значение этого потенциала снижается до уровня логического О, Потенциал логического О подается на вход элемента 2И-НЕ 7, и, как следствие, на его выходе появляется

5 потенциал логической 1, т.е. напряжение +5 В. Этот высокий потенциал вызывает коммутацию непрерывного светового (светодиод 77 блока 5 сигнали5

О

5

50

зации) и звукового (капсюль 35 блока 8 звуковой сигнализации) сигналов.

Четвертый режим работы, т,е. режим защиты аккумуляторов источника питания от глубокого разряда, осуществляется следующим образом

Когда напряжение аккумуляторных батарей соответствует номинальному, светбдиод оптопары 112, который питается 6т аккумуляторной батареи , рез подетроечный резистор 113, находится в зажженном состоянии. При , снижении напряжения аккумуляторов ни же допустимой величины светодиод гаснет, закрывается фото

30

транзистор оптопарп 112, вследствие чего открывается ключевой транзистор 15. На его коллекторе появляется низкий потенциал, подаваемый на блоки 20 Ующий вход операционного усилителя 104 стабилизатора 13 напряжения. Этот низкий потенциал нарушает нормальную аботу операционного усилителя 104, на выходе операционного усилителя 25 104 и, следовательно, на базе управляющего элемента 10 исчезает положитель- ый управляющий потенциал. Управлящий элемент 10 запирается и обеспе- ивает генератор 11 высокой частоты В результате на выходе выпрямителя 12 исчезает напряжение питания ±5 В„ Таким образом, прекращается подача напряжения питания на все функциональные блоки сигнализатора. Дальнейшее включение сигнализатора, связанное с накоплением заряда в аккумуляторах и повышением их напряжения, невозможно, так как невозможно включение генератора 11 высокой частоты. Новое введение сигнализатора в рабо.- чий режим возможно только при нажатии кнопки 117.

Вновь введенные блоки, детали и связи между ними предотвращают опроки давание показаний и одновременно защищают датчик метана от перегрузки, . обеспечивают достижение цели. Осуществляется это следующим образом, При увеличении концентрации метана более 5% на. управляемом входе сегмента В цифрового индикатора 19 появляется положительный высокий потенциал с коллекторного выхода АЦП 17 (сегмент В цифрового индикатора 19 гаснет). Этот высокий потенциал через резистор 120 и диод 122 подается на инверсный вход операционного усилителя 37, на его выходе возникает

40

35

55

45

50

$

0

025

298910

низкий потенциал, запирающий управля - ющин элемент (транзистор) 3„ На эмиттере транзистора 3 исчезает стабилизированное напряжение, питающее датчик 4 метана. Такое исчезновение стабилизированного напряжения на датчик 4 метана обеспечивает защичу датчика от перегрузки. Если бы это не было существенно, то произошло, бы спедующее0 При высокой концентрации метана (около 5%) происходит интенсивное горение метана на рабочем элементе датчика 4, рабочий элемент нагревается до высокой температуры и происходит быстрое разрушение поверхностного чувствительногб слоя элемента. Если этот процесс продолжается долго, то рабочий элемент выходит из строя. Отключение стабилизированного напряжения на датчик метант позволило защитить датчик от перегрузки, i

Формула изобретения

Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, выход которого соединен с Первым входом блока сигнализации, первый выход которого соединен с первым, входом элемента 2И-НЕ непосредственно и с вторым входом через генератор низких частот, при этом выход элемента 2И-НЕ соединен с первым входом звукового сигнализатора и с вторым

входом блока сигнализации, источник питания, выход которого соединен с первыми входами управляющих элементов, с третьим входом блока сигнализации, с входами блока оптопары, кнопки и первым входом измерителя концентрации метана, управляющий ключ, вход которого соединен с выходом блока оптопары, а выход - с первым входом первого стабилитрона, второй вход которого объединен с первым входом второго стабилитрона и вторым входом измерителя концентрации метана, а также с третьим входом элемента 2И-ПЕ и четвертым входом блока сигнализации и подключен к выходу выпрямитепя, выход первого стабилитрона объединен с выходом кнопки и подключен к входу первого управляющего элемента, i выход которого через генератор высоких частот соединен с входом выпрямителя и с вторым входом блока звуковой сигнализации, выход второго стабилитрона соединен с вторым входом второго управляющего элемента,

которого соединен с вторым входом второго стабилитрона и с входом датчика метана, отличающийся тем, что, с целью повышения эксплуатационной и метрологической надеж- нбсти его работы, он снабжен делителем напряжения, двухпозиционной кнопкой, шунтирующим блоком, диодами и резисторами, при этом выход измерителя концентрации метана через соответствующе цепочки из последовательно соединенных резистора и диода соединен с входом датчика мета- ha и- с первым входом блока сигнали

зации,-третий выход которого соединен с первым входом двухпозиционной кнопки, выход которой соединен с третьим входом измерителя концентрации метана, а второй вход - с дом делителя напряжения, вход которого подключен к источнику питания, выход измерителя концентрации метана соединен с катодом диода, анод которого через шунтирующий блок соединен с четвертым входом измерителя концентрации метана и через резистор с вторым вхбдом генератора низких частот

Изобретение относится к шахтной, автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля опасности горных работ по метану (М), и может использоваться1 в опасных по внезапным выбросам М шахтах для улучшения техники безопасности и увеличения произ-сти добычных и проходческих машин. Цель изобретения - повышение эксплуатационной и метрологической надежности работы переносного шахтного сигнализатора М за счет предотвращения опрокидывания показаний при одновременной защите датчика М от перегрузки, уменьшения основной абсолютной погрешности измерения концентрации М, возможности измерения напряжения аккумуляторной батареи источника питания. Шахтный сигнализатор содержит измеритель 1 концентрации Я, первую цепь из последовательно соединенных стабилизатора 2 напряжения, управляющего элемента 3 стабилизатора напряжения, датчик 4 М, блока 5 сигнализации, генератора 6 низкой частоты, элемента 2И-НЕ 7 и бло Ка 8 звуковой сигнализации и вторую цепь из последовательно соединенных источника 9 питания, управляющего элемента 10, генератора 11 высокой, частоты, выпрямителя 12 и стабилизатора 13. Дополнительно сигнализатор снабжен делителем 127 напряжения, двухпозиционной кнопкой 126, шунтирующим блоком 119, диодами 122, 123, 124, резисторами 120, 121, 125. Переносной шахтный сигнализатор работает в двух режимах: режиме 2 измерения концентрации М и режиме сигнализации о превышении концентрацией М порога 2%. 3 ил„ сл

Фие.1

r---f5-6-|-u - i

h