Переносной шахтный сигнализатор метана Советский патент 1993 года по МПК E21F17/18 E21F5/00 E21F9/00 

Изобретение относится к горной автоматике, а более конкретно к средствам автоматического контроля содержания метана в шахтной атмосфере, и может быть использовано в опасных по газу шахтах для улучшения техники безопасности за счет предотвращения взрывов метана путем своевременной точной сигнализации об опасных концентрациях метана.

Целью изобретения является повышение безопасности работ за счет подачи отличающихся друг от друга сигналов об обрывах рабочего и сравнительного элементов датчика метана и об аварийной концентрации метана более 5%, а также путем повторного автоматического включения сигнализатора после возникновения аварийной концентрации метана.

На фиг.1 приведена функциональная схема переносного шахтного сигнализатора метана; на фиг,2 и 3 - функциональная схема с раскрытием принципиальных схем от- дельных функциональных блоков сигнализатора.

Переносной шахтный сигнализатор ме: тана содержит индикатор концентрации ме- тана 1, кнопку без фиксации 2, шунтирующий блок 3 и генератор низкой частэты 4, первую цепь из последовательно соединенных стабилизатора напряжения 5, управляющего элемента 6, датчика метана 7, блока сигнализации 8 и блока звуковой сигнализации 9 и вторую цепь из последовательно соединенных источника питания 10, второго управляющего элемента 11. генератора высокой частоты 12, выпрямителя 13, второго стабилизатора напряжения 14 и ключевого транзистора 15. Кнопка без фиксации 2 включена между источником питания 10 и базой второго управляющего элемента 11, которая соединена с выходом второго стабилизатора напряжения 14. Выход управляющего элемента 6 соединен с входом стабилизатора напряжения 5,

Переносной шахтный сигнализатор снабжен счетчиком 16 и цепью из последовательно соединенных втолрого 17, третьего 18, четвертого 19 счетчиков и блока защиты датчика 20. Выход генератора низкой частоты 4 соединен с входом второго счетчика 17, второй выход которого соединен с вторым входом блока сигнализации 8. Второй выход третьего счетчика 18 соединен с третьим входом блока сигнализации 8, а егб третий выход соединен с входом первого счетчика 16. Второй вход первого счетчика 16 соединен с вторым выходом блока сигнализации 8, а выход соединен с базой ключевого транзистора 15. Выход блока защиты датчика 20 соединен с четвертым входом блока сигнализации 8, с вторым входом четвертого счетчика 19 и с входом шунтирующего блока 3, выход которого соединен с базой управляющего элемента 6. Второй

выход блока защиты датчика 20 соединен с входом измерителя концентрации метана 1, второй вход которого соединен с третьим выходом блока сигнализации 8. Четвертый и пятый выходы блока сигнализации 8 соединены с вторым и третьим входами блока защиты датчика соответственно. Выход источника питания 10 соединен с эмиттером ключевого транзистора 15.

Индикатор концентрации метана 1 состоит из аналого-цифрового преобразователя 21, трех цифровых индикаторов 22-24, резисторов 25-30 и конденсаторов 31-35. Блок кнопки без фиксации 2 состоит из собственно кнопки 36 и регистора 37. Шунтирующий блок 3 собран на основе транзистора 38 и резистора 39. Генератор низкой частоты 4 собран на двух элементах 2И-НЕ 40 и. 41, резистор 42 и конденсаторе 43. Стабилизатор напряжения 5 состоит из операционного усилителя 44 и резисторов 45-48. Термокаталитический датчик метана 7 состоит из рабочего 49 и сравнительного 50 элементов, которые включены в мостовую измерительную схему, образованную резисторами 51-54 и переменным резистором 55. Блок сигнализации 8 состоит из операционного усилителя 56, компаратов 57-61, элементов 2ИЛИ-НЕ 62-65, элемента 2W-HE 66, транзистора 67, резисторов 68-82, переменных резисторов 83, 84, диодов 85-90 и светодиода 91. Блок звуковой сигнализации 9 собран на транзисторах 92 и 93, трансформаторе 94, резисторах 95 и 96, конденсаторах 97 и 98 и капсюле 99. Источник питания

10 содержит два последовательно соединенных аккумулятора 100 и 101 типа НКГК- 11Д и резисторы 102 и 103 для ограничения тока короткого замыкания. Генератор высокой частоты 12 выполнен в виде импульсного генератора на основе транзисторов 104 и 105, трансформатора 106, резисторов 107- 110 и конденсаторов 111 и 112. Выпрямитель 13 собран на мостовом выпрямителе 113 и сглаживающих конденсаторах 114 и

115. Второй стабилизатор напряжения 14 состоит из операционного усилителя 116, резисторов 117-119, терморезистора 120, стабистора 121 и конденсатора 122. Ключевой транзистор 15 содержит собственно

транзистор 123, конденсатор 124 и резистор 125, Блок защиты датчика 20 состоит из двух элементов ЗИ-НЕ 126,127, транзистора 128, резисторов 129,130,конденсаторов 131-133 и диода 134.

Первый режим работы сигнализатора, т.е. режим измерения концентрации метана, осуществляется следующим образом,

Для введения сигнализатора в данный режим необходимо нажать и отпустить кнопку 36 без фиксации. При нажатии кнопки 36 на базу второго управляющего элемента (транзистора) 11 через резистор 37 подается высокий потенциал, отпирающий транзистор 11. Через переход коллектор - эмиттер транзистора 11 напряжение источника питания 10 подается на генератор высокой частоты 12, в результате чего на выходе выпрямителя 13 появляется напряжение +5 В, необходимое для питания остальных блоков сигнализатора. После Отпускания кнопки 36 начинается стабилизация напряжения +5 В при помощи отрицательной обратной связи, которая осуществлена заведением напряжения +5 В через делитель напряжения из резисторов 117и118на инвертирующий вход операционного усилителя 116 второго блока стабилизации напряжения 14. Термокаталитический датчик метана 7 питается стабилизированным напряжениеим 1,8±0,05 ИВ. Стабилизация данного напряжения осуществляется при помощи стабилизатора напряжения 5, управляющего элемента (транзистора) 6 и отрицательной обратной связи по напряжению, а именно напряжение с эмиттера транзистора 6 через резистор 47 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 44 стабилизатора напряжения 5. Количественное определение процентного содержания метана в шахтной атмосфере производится путем беспламенного сжигания метана на каталитически активной поверхности рабочего элемента 49 датчика метана 7. Сопротивление рабочего элемента 49 возрастает и приводит к разбалансу мостовой схемы датчика. Потенциал разбаланса мостовой схемы подается на операционный усилитель 56 блока сигнализации 8, усиленный сигнал о концентрации метана попадает на входаналого-цифрового преобразователя 21 индикатора концентрации метана 1. На цифровых индикаторах 22-24 отобразится информация о содержании метана в шахтной атмосфере до сотых долей процента. Таким образом, режим измерения концентрации метана обеспечивается работой блоков 1, 5-8, 10-14 сигнализатора.

Второй режим работы сигнализатора, т.е. сигнализации о превышении концентрацией метана допустимого уровня 2%, обеспечивается следующим образом.

Потенциал на инвертирующем входе компаратора 61 с,выхода операционного усилителя 56 достигает величины уставки

напряжения, подаваемой со средней точки переменного резистора 84 на неинвертирующий вход компаратора 61. На выходе компаратора происходит смена потенциала с 5 положительного на отрицательный. Этот отрицательный потенциал, соответствующий уровню логического О, подается на один из входов элемента 2ИЛИ-НЕ 65, на другой его вход поступает импульсное напряжение с

0 выхода счетчика 17. Частота этого импульсного напряжения равна частоте генератора низкой частоты,- разделенной на четыре (f/4) 1 Гц. На выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 65 появится импульсное напряжение той же

5 частоты, подаваемое на базу транзистора 67 и на блок звуковой сигнализации 9. В результате появляется прерывистая, с частотой 1 Гц, световая сигнализация (светоди0 од 91) и звуковая сигнализация (капсюль 99). Таким образом, работа сигнализатора во втором режиме осуществляется работой блоков 1, 4-14 и 17.

Третий режим работы сигнализатора,

5 т.е. сигнализация об обрыве сравнительного элемента датчика метана, осуществляет- . ся следующим образом.

При обрыве сравнительного элемента напряжение на средней точке датчика ста0 нет равным нулю. Следовательно, на неинвертирующем входе компаратора 60 потенциал станет меньше величины потенциала, создаваемого делителем напряжения из резисторов 78 и 79, на

5 инвентирующем входе. На выходе компаратора 60 происходит смена потенциала с по- ложительного на отрицательный. Этот отрицательный потенциал подается на один из входов элемента 2ИЛИ-НЕ 64, на другой вход которого подается импульсное напря0 жение с выхода счетчика 18, частота импул ь- сного напряжения равна частоте генератора низкой частоты, разделенной нз 64 (f/64) 0.0625 Гц. На выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 64 появляется импульсное напря5 жение той же частоты, подаваемое на базу транзистора 67 и на блок звуковой сигнализации 9. В результате появляется прерывистая световая (световод 91) и звуковая (капсюль99)сигнализация. Причем длитель0 ности сигналов и пауз равны между собой и составляют 8 с. Следовательно, третий режим работы сигнализатора обеспечивают блоки 4-14, 17 и 18.

Четвертый режим работы сигнализато5 ра, т.е. сигнализация об аварийной концентрации метана свыше 5%, осуществляется следующим образом.

Потенциал на инвертирующем входе компаратора 57 становится больше величины уставки напряжения, создаваемой делителем напряжения из резисторов 72 и 73 на неинвертирующем входе. На выходе компаратора происходит смена потенциала с положительного на отрицательный. Этот отрицательный потенциал подается на два спаренных входа элемента ЗИ-НЕ 127, на выходе элемента ЗИ-НЕ 127, а значит, и на одном из входов элемента ЗИ-НЕ 126, появляется положительный потенциал, соответствующий уровню логической Г. На два других входа элемента ЗИ-НЕ 126 предварительно поданы положительные потенциалы, и на его выходе появляется низкий потенциал, соответствующий уровню логического О. Этот низкий потенциал поступает на один из входов элемента 2ИЛИ-НЕ 62, на второй вход которого поступает импульсное напряженнее выхода генератора низкой частоты 4. На выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 62 появляется импульсное напряжение, подаваемое на базу транзистора 67 и на блок звуковой сигнализации 9, в результате появляется световая и звуковая прерывистая сигнализация с частотой 4 Гц при помощи светодиода 91 и капсюля 99. Одновременно с выхода элемента ЗИ-НЕ 127 положительный потенциал попадает на базу транзистора 128, последний отпирается и через его пере-ход коллектор-эмиттер напряжение +5 В подается на контролирующий входанало- ro-цифрового преобразователя 21 индикатора концентрации метана 1, в результате все три цифровых индикатора 22-24 будут высвечивать цифру 8. Низкий потенциал с выхода элемента ЗИ-НЕ 126 подается на базу транзистора 38 шунтирующего блока 3, транзистор отпирается и через его переход коллектор-эмиттер низкое напряжение подается на базу транзистора 6. Транзистор 6 запирается и прекращается питание датчика метана 7, тем самым датчик защищается от перегрузки. Как видно, дальнейшее измерение концентрации метана невозможно, так как обесточен датчик метана. В сигнализаторе предусмотрено автоматическое повторное включение датчика следующим образом. Низкий потенциал с выхода элемента ЗИ-НЕ 126 подается на вход счетчика 19, разрешая нормальную работу счетчику. С появлением на тактовом входе счетчика 19 четвертого импульса, на его выходе окончится первый импульс. Задний фронт этого импульса через незаряженный кондженса- тор 131 сформирует на одном из входов элемента ЗИ-НЕ 126 потенциал логического О, на его выходе появится потенциал логической 1, а на выходе элемента ЗИ-НЕ 127 - потенциал логического О, и следовательно, сигнализатор возвратится в режим измерения концентрации метана. Выдержка

времени в режиме сигнализации об аварийной концентрации метана составляет 4 мин. Таким образом, для работы сигнализатора в четвертом режиме необходима работа блоков 1,3-6, 8-14, 17-20.

Пятый режим работы сигнализатора, т.е. сигнализация об обрыве рабочего элемента датчика метана, осуществляется следующим образом. Потенциал на

0 инвертирующем входе компаратора 59 становится больше, чем величина потенциала, создаваемого делителем напряжения, на неинвертирующем входе. На выходе компаратора происходит смена потенциала с по5 ложительного на отрицательный. Этот отрицательный потенциал подается на один из входов элемента 2ИЛИ-НЕ 63, на другой вход которого подается импульсное напряжение с выхода счетчика 18. Частота им0 пульсного напряжения равна частоте генератора низкой частоты, разделенной на 64 (f/64 0,0625 Гц). На выходе элемента 2ИЛИ-НЕ 63 формируется импульсное напряжение той же частоты, подаваемое на

5 базу транзистора 67 и нз блой сигнализации 9. Кроме того, потенциал на инвертирующем входе компаратора 61 станет больше величины потенциала на его неинвертирую- идем входе, аналогично режиму сигнализа0 ции о превышении концентрацией метана допустимого уровня 2%. Таким образом, на базу транзистора 67 и на блок звуковой сигнализации 9 будут поступать два импульсных напряжения одинаковой амлпитуды, но

5 разной частоты: 0,0625 и 1 Гц, В результате сигнализатор будет выдавать звуковую (капсюль 99) и светорвую (светодиод 91) сигнализацию в такой последовательности: длительный сигнал в течение 8 с, а затем

0 прерывистый сигнал с частотой 1 Гц в течение 8 ч и т.д. Следует добавить, что в данном режиме производится блокировка блока защиты датчика путем подачи отрицательного потенциала с выхода компаратора 59 на

5 один из входов элемента ЗИ-НЕ 126 и на базу транзистиора 128, что предотвращает сигнализацию об аварийной концентрации метана свыше 5%. Таким образом, для пятого режима работы сигнализатора необходи0 мы блоки 4-14, 17 и 18.

Шестой режим работы, а именно сигнализацию о разряде аккумуляторов источника питания, осуществляется следующим образом.

5 Напряжение на неинвертирующем входе компаратора 58 становится меньше величины потенциала на инвертирующем входе компаратора. На выходе компаратора происходит смена потенциала с положительного на отицательный. Этот отрицательный

потенциал инвертируется при помощи элемента 2И-НЕ 66 и подается на базу транзистора 67 и на блок звуковой сигнализации 9. Начинается непрерывная световая (свето- диод 91) и звуковая (капсюль 99) сигнализация. Одновременно отрицательный потенциал с выхода компаратора 58 подается на разрешающий вход счетчика 16. С появлением на тактовом входе счетчика 16 шестнадцатого импульса на выходе счетчика окончится первый импульс. Задний фронт этого импульса через конденсатор 124 сформирует на базе ключевого транзистора 123 низкий потенциал, последний отпирается, и на корректирующий вход операционного усилителя 116 через переход эмиттер-коллектор транзистора 123 подается напряжение 2,5 В. В результате нарушается нормальная работа операционного усилителя 116. С его выхода исчезает управляющий потенциал на базе транзистора 11 и обесточивается генератор высокой частоты 12, а следовательно, исчезает напряжение питания +5 В. Сигнализатор выходит в режим отсечки. Таким образом осуществляется защита аккумуляторов от глубокого разряда. Дальнейшее включение сигнализатора возможно лишь при нажатии . кнопки 36, Для шестого режима работы сигнализатора необходимы блоки 2, 4, 7-18.

Техническими преимуществами изобретения по сравнению с известными являются увеличение производительности выемочных и проходческих машин в лаве за счет исключения ложных показаний сигнализатора и одновременно по этой же причине улучшение техники безопасности. Оба технических преимущества обеспечиваются раздельной сигнализацией об обрывах рабочего и сравнительного элементов датчика метана и об аварийной концентрации метана, а также повторным автоматическим включением сигнализатора после кратковременного повышения концентрации метана более 5%. Первое преимущество обеспечивает экономический эффект, а второе - социальный эффект.

Формула изобретения Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий первый стиабилизатор напряжения, выход которого соединен с базой первого управляющего элемента, эмиттер которого соединен с входами стабилизатора напряжения и датчика метана, выход которого соединен с первым входом блока сигнализации, первый выход которого под- ключей к входу блока звуковой сигнализации, шунтирующий блок, генератор низкой частоты, индикатор концентрации, транзисторный ключ, коллектор которого подключен к первому входу второго стабилизатора,

выход которого подсоединен к базе второго управляющего элемента, эмиттер которого через генератор высокой частоты и выпрямитель подсоединен к второму входу второго стабилизатора, а также источник

питания, выход которого подсоединен к коллекторам управляющих элементов и к входу кнопки, выход которой подсоединен к базе второго управляющего элемента, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью повышения

безопасности работ за счет подачи отличающихся друг от друга сигналов об обрывах рабочего и сравнительного элементов датчика метана и об аварийной концентрации метана более 5%, а также путем автоматического повторного включения сигнализатора после возникновения аварийной концентрации метана, он снабжен четырьмя счетчиками и блоком защиты датчика, причем выход генератора низких частот соединен с входом первого счетчика, первый выход которого соединен с вторым входом блока сигнализации, а второй - с входом второго счетчика, первый выход которого подсоединен к третьему входу блока сигнализации, второй выход - к первому входу третьего счетчика, а третий - к первому входу четвертого счетчика, выход которого подключен к первому входу блока защиты датчика, первый выход которого подключен

к первому входу индикатора концентрации, а второй - к четвертому входу блока сигнализации, к второму входу четвертого счетчика и к потенциальному входу шунтирующего блока, причем второй выход блока сигнализации подсоединен к второму входу индикатора концентрации, третий - к второму входу третьего счетчика, а четвертый и пятый - к блоку защиты датчика, выход третьего счетчика подсоединен к базе ключевого

транзистора, эмиттер которого подключен к источнику питания, а выход стабилизатора - к информационному входу шунтирующего блока,

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 до- бычных и проходческих машин. Цель повышение безопасности работ за счет подачи отличающихся друг от друга сигналов об обрывах рабочего и сравнительного элементов датчика метана и об аварийной концентрации метана более 5%, а также путем повторного автоматического включения сигнализатора после .возникновения аварийной концентрации метана. Сущность: переносной шахтный сигнализатор метана содержит измеритель концентрации 1, кнопку без фиксации 2, шунтирующий блок 3, генератор низкой частоты 4, первый стабилизатор напряжения 5, первый управляющий элемент 6, датчик метана 7, блок сигнализации 8, блок звуковой сигнализации 9, источник питания 10, второй управляющий элемент 11, генератор высокой частоты 12, выпрямитель 13, второй стабилизатор напряжения 14, ключевой транзистор 15, счетчики 16-19, блок защиты датчика 20. 3 ил. Ё