Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана Советский патент 1992 года по МПК E21F17/18 

1

(21)4881922/03

(22)12.11.90

(46) 30.09.92. Бюл. №36

(71)Государственный проектно-конструк- торский и научно-исследовательский институт по автоматизации угольной промышленности Типроуглеавтоматиза- ция

(72)Н.Э. Биренберг, М.Б. Львовский, Е,П. Ми- лешин и В.Н. Долгов

(56) Авторское свидетельство СССР № 1105667, кл. Е 21 F17/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР № 1263886, кл. Е 21 F 17/18, 1986.

Авторское свидетельство СССР № 1305404,кл. Е 21 F17/18, 1987.

Биренберг Н.Э., Львовский М.Б., Трос- ман Г.С. и Тумко Н.Ф. Установка КИМ для настройки и регулировки шахтных приборов. - Безопасность труда в промышленности, 1985, №3, с. 34-35.

Карпов Е.Ф., Биренберг Н.Э. и Басовский Б,И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. М.: Недра, 1984, с. 101-109.

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим системам и средствам газовой защиты, их метрологическому обеспече- нию, и может быть использовано при поверке и настройке всех видов шахтных сигнализаторов метана.

Известен стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, содержащий камеру с газовой смесью и

(54) СТЕНД ДЛЯ ПОВЕРКИ И НАСТРОЙКИ ШАХТНЫХ СИГНАЛИЗАТОРОВ МЕТАНА (57) Сущность изобретения заключается в том, что в стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана введены датчик расхода, усилитель с индикатором расхода, задатчик расхода, второй элемент сравнения, электронный регулятор расхода газовой смеси, которые образуют систему автоматического управления расходом газовой смеси. За счет функционирования этой автоматической системы достигается повышение точности поверки и настройки, сокращаются затраты времени и повышается удобство обслуживания стенда. Кроме того, в стенд введены второй датчик метана, размещенный в газовой камере, побудитель расхода метана, электронный регулятор расхода метана, пороговые элементы нижнего и верхнего уровней концентрации метана, усилитель, блок светозвуковой сигнализации, вентилятор с крыльчаткой, размещенной в камере, которые образуют систему автоматического поддержания в заданных пределах концентрации метана в камере. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

подключенной к ней емкостью с метаном, причем к выходу камеры газовой магистралью подсоединены последовательно побудитель расхода газовой смеси, газовый кран, к которому подключен баллон с поверочной газовой смесью, проточная ячейка, Б которой размещен датчик метана образцового метанометра, расходомер и присоединительная насадка поверяемого сигнализатора.

fe

ч о ел

N

ON ON

Такой стенд имеет недостаточно высокую точность поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, поскольку показания образцового метанометра и поверяемого сигнализатора зависят от величины расхода метано-воздушной смеси, которая не стабильна во времени, так как производительность побудителя расхода газовой смеси меняется во времени в 1,5-2 раза из-за изменения напряжения питания в сети и нестабильности работы мембраны и клапанов побудителя. Погрешность измерения, связанная с нестабильностью расхода газовой смеси, достигает ±(0,05-0,10)об.% при изменении расхода в 1,5-2 раза. Для поддержания постоянной (по расходомеру) величины расхода газовой смеси в известном стенде осуществляется ручная регулировка производительности побудителя расхода газовой смеси. Это создает определенные неудобства для обслуживающего персонала, так как необходимо постоянно следить за показанием расходомера и вовремя осуществлять ручное корректирование величины расхода газовой смеси. Кроме того, стенд имеет недостаточно высокую производительность и безопасность работы, поскольку по мере снижения концентрации метана в камере приходится вручную из емкости добавлять метан, чтобы повысить концентрацию. При этом не исключена возможность создания в камере взрывоопасной газовой смеси метана с воздухом, что снижает безопасность работы стенда.

Известен также стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, по своей структуре, функциям и принципу действия наиболее близкий к предлагаемому, который содержит камеру с газовой смесью и подключенной к ней емкостью с метаном, причем к выходу камеры газовой магистралью подсоединены последовательно побудитель расхода газовой смеси, газовый кран, к которому подключен баллон с поверочной газовой смесью, проточная ячейка, в которой размещен датчик метана образцового метанометра, расходомер и присоединительная насадка поверяемого сигнализатора, а к выходу образцового метанометра подключены последовательно элемент сравнения, электронный регулятор расхода воздуха и побудитель расхода воздуха, соединенный газовой магистралью с проточной ячейкой, блок обработки информации, один вход которого соединен с выходом образцового метанометра, а к другому входу подключен датчик включения сигнализации поверяемого сигнализатора, задат- чик концентрации метана, подключенный к элементу сравнения.

Однако известный стенд имеет недостаточно высокую точность поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, поскольку величина расхода газовой смеси,

5 от величины которой зависит показание сигнализатора, меняется в зависимости от уставки по концентрации метана, а также величина расхода воздуха меняется при изменении концентрации метана в камере за

10 счет работы автоматического регулятора концентрации метана. Поэтому в стенде, принятом за прототип, приходится при изменении концентрации метана в камере или уставки по концентрации метана поддержи15 вать вручную постоянно величину расхода газовой смеси по показанию расходомера, изменяя производительность побудителя расхода газовой смеси. Величина расхода газовой смеси может меняться в 1,5-2 раза

0 по мере изменения концентрации ме„тана в камере от 3 до 2 об. % СН или уставки от 0,5 до 2,0 об.% СН4, что может привести к дополнительной погрешности измерения концентрации метана ± (0,05-0,1)об.% СЩ.

5 Кроме того, необходимость постоянно следить за величиной расхода и вручную регу- лировать ее создает определенные неудобства в работе оператора и увеличивает затраты времени на обслуживание стен0 да. Помимо этого, стенд имеет недостаточно высокую производительность и безопасность работы, поскольку по мере расходования газовой смеси концентрация метана в камере снижается и приходится вручную из

5 емкости добавлять метан в камеру. При этом снижается производительность работы стенда и не исключена возможность создания в камере взрывоопасной газовой смеси, что снижает безопасность работы стенда.

0 Целью изобретения является повышение точности поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана,

Для достижения указанной цели в стенд для поверки и настройки шахтных сигнали5 заторов метана, содержащий емкость с метаном, соединенную с камерой с газовой смесью, выход которой через побудитель газовой смеси соединен с газовым краном, который соединен с баллоном с поверочной

0 газовой смесью и с проточной ячейкой, выход которой через образцовый метанометр соединен с первыми входами первого элемента сравнения и блока обработки информации, второй вход которого соединен с

5 датчиком включения сигнализации, второй вход первого элемента сравнения соединен с задатчиком концентрации метана, а выход первого элемента сравнения через электронный регулятор расхода воздуха прдключен к проточной ячейке, которая

подключена также к расходомеру, и насадку, введены дополнительная проточная ячейка с расположенным в ней рабочим элементом датчика расхода, закрытая ячейка со сравнительным элементом, усилитель, индикатор, задатчик расхода, второй элемент сравнения и второй электронный регулятор расхода газовой смеси, при этом дополнительная проточная ячейка соединена с расходомером и насадкой, а рабочий элемент датчика расхода соединен со сравнительным элементом и оба подключены к усилителю, первый выход которого соединен с индикатором, а второй - с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком расхода, а выход через второй электронный регу- лятор расхода газовой смеси - с побудителем газовой смеси.

Кроме того, с целью повышения производительности и безопасности работы в стенд введены третий регулятор расхода метана, блок световой сигнализации, побудитель расхода метана, пороговые элементы нижнего и верхнего уровней, дополнительный датчик метана и вентилятор, при этом дополнительный датчик метана и крыльчатка вентилятора размещены в камере с газовой смесью, дополнительный датчик метана через пороговые элементы нижнего и верхнего уровней соединен с входами третьего электронного регулятора расхода метана, первый выход которого подключен к побудителю расхода метана, а второй - к вентилятору, причем выход порогового элемента верхнего уровня подключен к блоку световой сигнализации.

На чертеже представлен стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана.

В состав стенда входят камера 1 с газовой смесью и подключенной к ней емкостью 2 с метаном, причем к выходу камеры 1 газовой магистралью подсоединены последовательно побудитель 3 газовой смеси, газовый кран 4, к которому подключен баллон 5 с поверочной газовой смесью, проточная ячейка 6, в которой размещены датчик 7 метана образцового метанометра 8, расходомер 9 и присоединительная насадка 10 поверяемого сигнализатора 11, а к выходу образцового метанометра 8 подключены последовательно элемент 12 сравнения, электронный регулятор 13 расхода воздуха и побудитель 14 расхода воздуха, соединенный газовой магистралью с проточной ячейкой 6. Стенд содержит также блок 15 обработки информации, один вход которого соединен с выходом образцового метанометра 8, а к другому входу подключен датчик

16 включения сигнализации поверяемого сигнализатора 11, К элементу 12 сравнения подключен задатчик 17 концентрации метана. В стенд входят новые элементы и связи между ними: датчик 18 расхода, рабочий элемент 19 которого размещен в дополнительной проточной ячейке 20, включенной в газовую магистраль между расходомером 9 и присоединительной насадкой 10, а сравнительный элемент 21 расположен в закрытой ячейке 22. Усилитель 23 с индикатором

0 24 расхода, соединенным с датчиком 18 расхода и задатчиком 25 расхода, которые подключены к входам второго элемента 26 сравнения. Второй электронный регулятор

27расхода газовой смеси, вход которого 5 соединен с выходом второго элемента 26

сравнения, а выход регулятора 27 подключен к побудителю 3 расхода газовой смеси. В стенд входят дополнительный датчик

28метана, размещенный в камере 1 с газо- 0 вой смесью, побудитель 29 расхода метана,

включенный между емкостью 2 с метаном и камерой 1 с газовой смесью, третий регулятор 30 расхода метана, к входам которого подключены пороговые элементы нижнего

5 31 и верхнего 32 уровней концентрации метана, соединенные своими входами через усилитель 33 с дополнительным датчиком 28 метана, блок 34 световой сигнализации, который подключен к выходу порогового эле0 мента 32 верхнего уровня концентрации метана.

Вентилятор 35, крыльчатка 36 которого размещена в камере 1 с газовой смесью, соединен с первым выходом третьего регу5 лятора 30 расхода метана, второй выход которого подключен к побудителю 29 расхода метана.

Стенд работает следующим образом. Образцовый метанометр 8 калибруется

0 с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает из баллона 5 через двухвхо- довый газовый кран 4 в проточную ячейку 6, где расположен датчик 7 образцового метанометра 8, Расход поверочно-газовой смеси

5 контролируется с помощью расходомера 9. При этом газовый кран 4 находится в положении калибровка, а затем по окончании операции калибровки он переводится во второе рабочее положение.

0 Затем, подавая при помощи побудителя

29метан из емкости 2 в камеру 1, приготавливают в камере 1 метано-воздушную смесь. Для ускорения процесса приготовления смеси в камере 1 вентилятор 35 с крыль5 чаткой 36 находится во вклю.ченном состоянии. Концентрация метана в камере 1 контролируется размещенным в ней термокаталитическим датчиком 28, сигнал с выхода которого поступает через усилитель 33 на входы пороговых элементов нижнего 31 и верхнего 32 уровней концентрации метана.

Уставка срабатывания порогового элемента 31 нижнего уровня выбрана равной 2,5 об.% СНд, а уставка срабатывания порогового элемента 32 верхнего уровня выбрана равной 3 об,% СН4.

Так как побудитель расхода метана 29 и вентилятор 35 первоначально находятся во включенном состоянии, то концентрация метана в камере 1 монотонно возрастает.

При достижении концентрацией метана в камере величины 3 об.% срабатывает пороговый элемент 32 верхнего уровня и через третий регулятор 30 расхода метана производится отключение побудителя расхода метака 29 и вентилятора 35. Одновременно включается светозвуковая сигнализация при помощи блока 34, предупреждающая о достижении предельно допустимой концентрации метана в камере 1.

По мере расходования метано-воздуш- ной смеси, подаваемой при помощи побудителя 3 расхода газовой смеси, через газовый кран 4 к датчику 7 образцового метанометра 8, расположенному в проточной ячейке 6, концентрация метана в камере 1 монотонно снижается и достигает величины 2,5 об.%, т.е. уставки срабатывания порогового эле- мента нижнего уровня. При этом вновь включается при помощи третьего регулятора 30 побудитель расхода метана 28 и вентилятор 35 и концентрация метана в камере 1 начинает увеличиваться. Следует отме- тить, что при снижении концентрации метана в камере до 2,9 об.% СН4 светозвуковая сигнализация в блоке 34 отключается, так как при этом отключается пороговый элемент верхнего уровня 32. Благодаря срабаты- ванию порогового элемента 31 при концентрации метана в камере 1 ниже 2,5 об.% побудитель 29 и вентилятор 35 включаются. Таким образом, концентрация метана в камере 1 автоматически поддерживается в пределах 2,5-3 об.%, т.е. обеспечивается одновременно как повышение производительности, так и безопасности работы стенда.

Пороговый элемент 31 нижнего уровня представляет собой триггер Шмитта, к выходу которого подключен RS-триггер, благодаря чему пороговый элемент 31 находится во включенном состоянии при концентрации метана, меньшей либо равной 2,5 об.%. Пороговый элемент 32 верхнего уровня также представляет собой триггер Шмитта, который срабатывает при концентрации метана 3 об,% и отключается при 2,9 об,%.

Третий регулятор расхода метана 30 представляет собой два одинаковых транзисторных ключа с электромагнитными реле, включенными в коллекторную нагрузку и логическую схему 2 ИЛИ. Один ключ реле управляет работой вентилятора 35, а другой - побудителем 29 (контакты реле включены соответственно в цепи питания побудителя 29 и вентилятора 35).

Входы двух транзисторных ключей объединены и подключены к выходу схемы 2 ИЛИ.

Входы схемы 2 ИЛИ подключены к выходам пороговых блоков 31 и 32.

Метано-воздушная смесь из камеры 1 с концентрацией метана 2,5-3 об.% при помощи побудителя расхода газовой смеси 3 поступает через газовый кран 4 с начальным расходом к датчику метана 7, размещенному в проточной ячейке 6, и через расходомер 9 метано-воздушная смесь поступает к датчику расхода 18, рабочий элемент 19 которого размещен в дополнительной проточной ячейке 20.

Сигнал, пропорциональный концентрации метана в смеси, с выхода датчика метана 7 поступает на вход образцового метанометра 8, выход которого подключен к входу элемента сравнения 12,

К другому входу элемента сравнения 12 подключен задатчик концентрации метана 17. Напряжение ошибки, которая представляет собой разность напряжений с образцового метанометра 8 и задатчика 17с выхода элемента сравнения 12, поступает на вход электронного регулятора расхода воздуха 13 с ПИД-законом управления. К выходу электронного регулятора 13 подключен побудитель расхода воздуха 14. Воздух из окружающей атмосферы с помощью регулируемого побудителя 14 поступает в проточную ячейку 6, куда также поступает метано-воздушная смесь из камеры 1. Датчик метана 7 образцового метанометра 8, размещенный в проточной ячейке 6, элемент сравнения 12, задатчик концентрации метана 17, электронный регулятор 13 с побудителем расхода воздуха 14 образуют контур системы автоматического управления концентрацией метана.

Благодаря работе указанной системы автоматического управления концентрация метана, подаваемая к поверяемому сигнализатору 11 через присоединительную насадку 10, после окончания переходного процесса, который длится 15-20 с, будет соответствовать заданной концентрации метана, определяемой задатчиком 17.

Для автоматического определения кон- ентрация метана, при которой срабатывает световая и звуковая сигнализация поверяемого шахтного сигнализатора 11, напряжение на выходе задатчика 17 медленно увеличивается со скоростью не более 0,01 В /с по линейному закону, так чтобы система автоматического управления концентрацией метана отрабатывала увеличение величины концентрации СНМ со скоростью 0,01 %/с. При достижении уставки срабатывания поверяемого сигнализатора 11 звуковой сигнал сигнализатора воздействует на датчик включения сигнализации 16 (микрофон), сигнал с выхода которого поступает на вход блока обработки информации 15. На другой вход блока обработки информации 15 поступает напряжение с выхода образцового ме- танометра 8, пропорциональное величине концентрации метана на выходе системы автоматического управления (в присоединительной насадке 10). В момент поступления звукового сигнала от сигнализатора 11 на датчик 16 происходит запись величины концентрации метана образцового метано- метра 8 в память блока обработки информации 15.

При этом в блоке 15 также определяется погрешность срабатывания сигнализатора как разность величины уставки срабатывания по заданию и полученной величины концентрации срабатывания сигнализации.

В состав предложенного стенда входит также вторая система автоматического управления величиной расхода метано-воз- душной смеси, в составе которой датчик расхода 18, рабочий элемент 19 которого размещен в дополнительной проточной ячейке 20, а сравнительный элемент 21 размещен в закрытой ячейке 22, усилитель 23, индикатор расхода 24, задатчик расхода 25, второй элемент сравнения 26, второй электронный регулятор расхода газовой смеси 27, побудитель расхода газовой смеси 3. В состав системы входят также газовый кран 4, проточная ячейка 6, расходомер 9, присоединительная насадка 10, т.е. элементы, входящие в газовый тракт стенда, относящиеся также и к первой системе автоматического управления концентрацией метана,

Сигнал с выхода датчика расхода 18, пропорциональный величине расхода газовой смеси в дополнительной проточной ячейке 20, включенной между расходомером неплавкого типа 9 и присоединительной насадкой 10, поступает на усилитель 23 с индикатором 24 и далее на второй элемент сравнения 26, к другому входу которого подключен задатчик расхода 25. Датчик 18 служит для преобразования величины расхода газа в электрический сигнал, работает на термоанемометрическом принципе, так как

расходомер 9 поплавкового типа, а для работы системы управления необходим аэлек- трический сигнал о величине расхода.

Сигнал рассогласования (ошибки) с выхода второго элемента сравнения 26 поступает на вход второго электронного регулятора расхода газовой смеси 27, который имеет пропорционально-интегральный (ПИ) алгоритм управления и собран на опе0 рационных усилителях, аналогично электронному регулятору расхода воздуха 13.

Интегральная составляющая в законе управления (блок 27) служит для получения заданной точности отработки уставки по ве5 личине расхода газа в установившемся режиме. Переходный процесс в системе длится 15-20 с, Напряжение с выхода второго электронного регулятора 27 поступает на побудитель 3 расхода газовой смеси, про0 изводительность которого устанавливается такой, чтобы получить автоматически величину уставки расхода по задатчику 25. Величина расхода на датчике 18 является суммой расходов на выходе побудителя 3 и побуди5 теля 14, Таким образом, суммарный результирующий расход газовой смеси, поступающей на поверяемый сигнализатор 11, поддерживается (0,2 л/мин) постоянным во времени, так как уставка на задатчикё

0 расхода 25 постоянна. Благодаря функционированию системы автоматического управления расходом газо вой смеси в предложенном стенде повышается точность поверки и настройки шахтных сигнализато5 ров метана на 0,05-0,1 об.% СЩ, так как исключается погрешность образцового и поверяемого метанометров, связанная с изменением расхода метано-воздушной смеси. Расход газовой смеси на стенде

0 поддерживается постоянным и равным уставке 0,2 л/мин независимо от функционирования системы автоматического управления концентрацией метана, а также иных возмущающих факторов (нестабиль5 ность побудителей расхода 3 и 14 во времени, изменение питающего напряжения в сети и т.д.). Визуально контроль за постоянством величины расхода осуществляется при помощи индикатора расхода 24, а коли0 чественно величина расхода измеряется расходомером 9. Индикатором расхода может быть милливольтметр. Одновременно также повышается удобство обслуживания за .счет автоматизации процесса управле5 ния расходом газовой смеси на стенде. При этом сокращаются и затраты времени на обслуживание, связанные с поддержанием расхода газа постоянным.

Система автоматического управления концентрацией метана и система автоматического управления расходом газовой смеси представляют собой связанную двухкон- турную систему автоматического управления стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов.

Экспериментальная проверка предложенного стенда показала, что время установления концентрации метана и расхода газовой смеси на стенде составляет 15-20 с, а точность определения уставки срабатывания сигнализации и точность поверки и на- стройки шахтных сигнализаторов составляет ±0,05 об.% СН4, что в 2 раза выше, чем в известном стенде.

При технической реализации предложенного стенда в качестве блока 34 светозвуковой сигнализации может быть использован блок светозвуковой сигнализации от известного сигнализатора метана Сигнал-2.

В качестве задатчика расхода 25 может быть использован потенциометр. В качестве рабочего 19 и сравнительного 21 элементов датчика расхода 18 могут быть использованы компенсационные термопреобразовательные элементы отдатчика метана сигнализатора Сигнал-2.

Побудители расхода 3,14 и 29 представляют собой вибрационные микрокомпрессоры от установки поверочной КИМ. В качестве элементов сравнения 12 и 26 могут быть использованы дифференциальные усилители, определяющие разность входных напряжений.

Использование изобретения позволяет повысить точность поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, что повышает безопасность труда на шахтах, опасных по газу. Кроме того, повышается производительность, безопасность и удобство обслуживания, снижаются затраты времени, связанные с обслуживанием, благодаря автоматизации .процессов и операций на стенде.

Формула изобретения 1. Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, содержащий емкость с метаном, соединенную с камерой с газовой смесью, выход которой через побудитель газовой смеси соединен с газовым краном, который соединен с баллоном с поверочной газовой смесью и с проточной

ячейкой, выход которой через образцовый метанометр соединен с первыми входами первого элемента сравнения и блока обработки информации, второй вход которого

соединен с датчиком включения сигнализации, второй вход первого элемента сравнения соединен с задатчиком концентрации метана, а выход первого элемента сравнения через электронный регулятор расхода

воздуха подключен к проточной ячейке, которая подключена также к расходомеру, и насадку, отличающийся тем, что, с целью повышения точности поверки и настройки шахтных сигнализаторов, в него

введены дополнительная проточная ячейка с расположенным в ней рабочим элементом датчика расхода, закрытая ячейка со сравнительным элементом, усилитель, индика- тор, задатчик расхода, второй элемент

сравнения и второй электронный регулятор расхода газовой смеси, при этом дополнительная проточная ячейка соединена с расходомером и насадкой, а рабочий элемент датчика расхода соединен со сравнительным элементом и оба подключены к усилителю, первый выход которого соединен с индикатором, а второй - с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого соединен с задатчиком расхода, а

выход через второй электронный регулятор расхода газовой смеси - с побудителем газовой смеси.

2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и безопасности работ, в него введены третий регулятор расхода метана, блок световой сигнализации, побудитель расхода метана, пороговые элементы нижнего и верхнего уровней, дополнительный датчик

метана и вентилятор, при этом дополнительный датчик метана и крыльчатка вентилятора размещены в камере с газовой смесью, дополнительный датчик метана че- рез пороговые элементы нижнего и верхнего уровней соединен со входами третьего электронного регулятора расхода метана, первый выход которого подключен к побудителю расхода метана, а второй - к вентилятору, причем выход порогового элемента

верхнего уровня подключен к блоку световой сигнализации.

оо