Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана Советский патент 1993 года по МПК E21F17/18 

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

Цель изобретения - повышение стабильности измерения концентрации-метана.

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

Элементы стенда соединены между собой следующим образом. К входу камеры 1 для метановоздушной смеси подключена емкость 2 с метаном, а выход камеры 1 через побудитель расхода 3 соединен с газовым краном 4, подключенным к баллону 5 с по- верочно-газовой смесью (ПГС). Образцовый метанометр 6 соединен с термокаталитическим датчиком метана 7, размещенным в первой проточной ячейке 8, которая через расходомер 9 подключена к насадке 10 поверяемого .сигнализатора.

В состав стенда введены новые элементы и связи между ними: вторая проточная ячейка 11, включенная между выходом газового крана 4 и входом первой проточной ячейки 8, контрольный датчик метана 12, размещенный во второй проточной ячейке 11, контрольный метанометр 13, подключенный входом к контрольному датчику метана 12, преобразователь 14 напряжение -частота, интегратор 15, регистр 16 памяти, цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) 17, блок сравнения 18 и блок коррекции 19, соединенные последовательно, генератор 20 тактовых импульсов и формирователь 21 временных интервалов, управляемый клапан 22 со схемой управления 23, причем управляемый клапан 22 размещен во второй проточной ячейке 11 и расположен между контрольным датчиком 12 и входом и выходом второй проточной ячейки 11. выход образцового метанометра 6 соединен со вторым входом блока сравнения 18, а выход блока коррекции 19 подключен к входу коррекции образцового метанометра 6, генератор тактовых импульсов 20 подключен к входу формирователя временных интервалов 21, первый выход которого подключен к управляющему входу интегратора 15, второй - .к управляющему входу регистра памяти 16, третий - к входу блока управления клапаном 23 и управляющему входу контрольного метанометра 13, а четвертый выход - к управляющему входу блока коррекции 19, выход контрольного метанометра 13 подключен к входу преобразователя 14 напряжение - чистота.

Стенд работает следующим образом. Предварительно образцовый метанометр 6 и контрольный метанометр 13 (при открытом клапане 22) калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, поступающей из баллона 5 через двухвходовый газовый кран 4 во вторую 11 и первую 8

проточные ячейки, в которых расположены контрольный датчик 12 и образцовый датчик 7 соответственно. Расход поверочно-газовой смеси контролируется по расходомеру 9. При этом газовый кран 4 находится в

5 положении калибровка, а затем по окончании операции калибровки он переводится во второе рабочее положение. Отметим, что в дальнейшем операция калибровки производится не чаще, чем через 1 месяц за счет

0 автоматической коррекции нуля и чувствительности образцового метанометра 6 стенда, которая будет описана ниже. Затем,- подавая метан из емкости 2 в камеру 1, приготавливают в камере 1 метановрздуш5 ную смесь, которая при помощи побудителя расхода 3 поступает через вторую 11 и первую 8 проточные ячейки, расходомер 9 и к насадке 10 поверяемого сигнализатора, при этом насадка 10 прикладывается к датчику

0 поверяемого сигнализатора.

В исходном состоянии управляемый клапан 22 открыт, а контрольный датчик метана 12 отключен от питания, При этом вторая проточная ячейка 11 заполняется

5 анализируемым газом за счет работы побудителя расхода 3. Через промежуток времени 2 Т (где Т 5-10 мин) клапан 22 закрывается по команде с третьего выхода формирователя временных интервалов 21

0 через схему управления клапаном 23. Одновременно включается питание контрольного датчика 12 через контрольный метанометр 13, на управляющий вход которого подается команда с третьего выхода

5 формирователя 21. Аналоговый сигнал с выхода контрольного метанометра 13 поступает на вход преобразователя напряжение - частота (ПНЧ) 14, последовательность импульсов с выхода которого поступает на

0 вход цифрового интегратора 15, причем частота импульсов на выходе ПНЧ 14 пропорциональна величине аналогового сигнала на его входе. Одновременно с закрытием клапана 22 первого выхода формирователя 21

5 подается команда на интегратор 15, который начинает этап прямого интегрирования импульсной последовательности с выхода ПНЧ 14. Длительность этого этапа равна Т. Затем направление интегрирования интегратора 15 изменяется на обратное по команде с первого выхода формирователя 21. Обратное интегрирование также продолжается в течение времени Т, По завершении этапов прямого и обратного интегрирования (т.е. через время 2 Т) выключается пита- ние контрольного датчика 12 по команде с третьего выхода формирователя 21 и одновременно открывается клапан 22. Интервал времени Т выбирается равным 5-10 мин, чтобы за этот промежуток времени весь ме- тан, находящийся в объеме, окружающем контрольный датчик 12, успел окислиться. Таким образом, за время прямого интегрирования Т концентрация метана на контрольном датчике 12 должна уменьшиться до нуля. Этап обратного интегрирования происходит уже при нулевой концентрации метана на контрольном датчике 12, при этом происходит интегрирование сигнала ошиб- ки на контрольном датчике 12 при нулевой концентрации метана. В момент выключения контрольного датчика 12, открытия клапана 22 и прекращения обратного интегрирования интегратора 15 на его вы- ходе будет величина сигнала, которая представляет собой разность результатов интегрирования полезного сигнала контрольного датчика 12 совместно с сигналом его ошибки и интегрирования сигнала ошибки того же датчика после полного выгорания метана, Этот конечный результате выхода интегратора 15 записывается в регистр памяти 16 по команде, поступающей со второго выхода формирователя 21 на уп- равляющий вход регистра памяти 16. Эта команда поступает сразу же после окончания обратного интегрирования и продолжается в течение времени Т, после чего интегратор 15 устанавливается в нулевое состояние по команде формирователя 21 (ее длительность тоже Т). По форме любая команда с выходов формирователя 21 представляет собой импульс логической единицы. Отсутствие команды соответствует напряжению логического нуля на выходе формирователя 21. Цифровой сигнал с выхода регистра памяти 16 преобразуется в аналоговую форму при помощи ЦАП 17. Аналоговый сигнал с выхода ЦАП 17 поступает на блок сравнения 18, на второй вход которого поступает аналоговый сигнал с выхода образцового метанометра 6. Отметим, что формирователь временных интервалов 21 запускается от генератора тактовых импульсов (ГТИ) 20, частота которого стабили- зирована кварцем. Сигнал с выхода блока сравнения 18 поступает на блок коррекции 19, который выполнен по а.с. № 1634806 3. На управляющий вход блока коррекции 19 поступает командный сигнал с четвертого

выхода формирователя 21. который поступает после окончания процесса записи информации в регистр памяти 16 и длится в течение времени Т. На выходе блока коррекции 19 образуется непрерывно действующий сигнал коррекции, который поступает на вход коррекции образцового метанометра 6. При этом в показание образцового метанометра 6 вводится поправка, компенсирующая ошибку измерения, связанную с уходом нуля и чувствительности датчика 7 образцового метанометра 6. Описанный процесс работы периодически повторяется с периодом 6 Т. Аналоговый сигнал коррекции обновляется после окончания работы блока коррекции 19 один раз в течение периода времени 6 Т..Таким образом, продолжительность процесса автоматической коррекции составляет 30-60 мин, т.е. поправка в показания образцового метанометра вводится автоматически каждые 0,5-1 ч работы стенда.

Физический смысл автоматической коррекции ухода нуля и чувствительности датчика 7 образцового метанометра 6 состоит в следующем.

При полном окислении метана на контрольном датчике 12 после закрытия клапана 22 в образовавшемся изолированном объеме интегральный тепловой эффект реакции окисления метана является величиной постоянной и он пропорционален концентрации метана и не зависит от таких характеристик датчика, как уход нуля и чувствительности.

Это утверждение теоретически подтверждается следующими расчетами, описывающими физические процессы, протекающие на стенде.

Напряжение V на выходе контрольного метанометра 13 равно: dQ

dr

+ All

см,

где AUcM - напряжение смещения нуля на выходе контрольного метанометра 13, обусловленное воздействием внешних условий и теплового дрейфа датчика 12 при отсутствии метана на контрольном датчике 12;

Q -тепловой эффект реакции окисления метана в каждый момент времени;

К2 - коэффициент пропорциональности между напряжением на выходе контрольного метанометра 13 и скоростью изменения теплового эффекта реакции окисления метана -т- на Датчике 12 в каждый момент времени т.

Напряжение EI на выходе интегратора 15 за период времени с момента г0 закрытия клапана 22 и начала окисления метана до момента времени л реверсирования интегратора 15 имеет вид:

Ei- VdrjJ Kz + AUcMXlr

Напряжение на выходе интегратора 15 за период времени с момента тОзакрытия клапана 22 до момента Т2после окончания обратного интегрирования, прекращения процесса интегрирования, фиксации результата измерения в регистре памяти 16 и отключения контрольного датчика 12 равно:

E2-J (K2 +AUcM)dT-jЈ AUcM

dT

Поскольку промежутки времени л -т о и г 2 - Л равны между собой, то:

E2-Cfc + ЈAUcMdTДисм Дт

так как напряжение смещения нуля Д1)см за время интегрирования практически не меняется, то

ДУсм Ј1 dr- Аисм

-ГТ1 Jr0

}T0

Ј

dr

E2-#

To

K2

dQ dT

dr

Поскольку коэффициент «2 тоже является медленно меняющейся величиной, по сравнению с временем интегрирования, то

Е2 K2JJ dr K2Q (r 1 -т о)

Заметим, что т i-to Т(5.,,10мин). Тогда измеряемая концентрация метана в изолированном объеме газовой смеси на контрольном датчике 12 равна:

С KiE2 - KrK2Q (П - то) - KitoQT, где Ki - коэффициент пропорциональности между напряжением на выходе интегратора 15 и концентрацией метана в газовой смеси на датчике 12. Постоянство этого коэффициента во времени за период стабильности (30 сут) подтверждено экспериментально. Из последнего выражения видно, что оно не зависит от напряжения смещения нуля AUcM. Поскольку изменение (как правило, снижение) каталитической активности датчика 12 во времени за счет старения датчика, запыления газового фильтра, влияния температуры и других причин, которое проявляется как уход чувствительности датчика, приводит лишь к увеличению времени полного окисления метана на датчике 12 в изолированном при помощи клапана 22 объема воздуха, а интегральный тепловой эффект реакции окисления остается постоянным и зависит только от концентрации метана в газовой смеси. Таким образом

dQ

Е2 const,

Л

TO dr

и измеряемая величина - концентрация метана - не зависит от ухода нуля и чувствительности. Отметим также, что коэффициент передачи датчика метана, главного источника ухода нуля и чувствительности, входит только в величину коэффициента К и не входит в величину коэффициента Ki. Это

0 подтверждает постоянство коэффициента во времени. Поэтому контрольный метано- метр 13 измеряет истинную концентрацию метана в газовой смеси и по его показанию корректируется при помощи корректора 19

5 показание образцового метанометра 6,благодаря чему повышается стабильность измерения концентрации метана на стенде, так как автоматически компенсируется уход нуля и чувствительности образцового мета0 нометра 6 с термокаталитическим датчиком 7.

При технической реализации предло-. женного стенда в качестве преобразователя 14 напряжение-частота использован изве5 стный ПНЧ, собранный на микросхеме КР1108ПП1, а интегратор 15 собран на операционном усилителе, причем аналоговый коммутатор К561КТЗ для управления и интегрирующая емкость включены в цепь об0 ратной связи. Регистр памяти 16 собран на известных D-триггерах К561ТМЗ..Цифроа- налоговый преобразователь 17 собран на известной микросхеме ЦАП,КР572ПА1. Блок сравнения 18 представляет собой извест5 ный компаратор, собранный на операционном усилителе. Блок коррекции 19 аналогичен известному блоку коррекции сигнализатора метана по а.с. № 1634806. Генератор тактовых импульсов 20 представ0 ляет собой известный кварцевый генератор на логической микросхеме К561ЛА7. Формирователь временных интервалов 21 собран на логических микросхемах серии К561 и выдает команды в виде импульсов напря5 жением логической единицы. Длительность импульсов и очередность их появления описана выше. Управляемый клапан 22 представляет собой электромагнитный клапанГк обмотке которого подводится напряжения

0 от блойа управления 23. В качестве блока управления 23 клапаном использован ключевой транзистор, в коллекторную цепь которого включена обмотка клапана 22, а к базе подводится управляющей импульс от

5 формирователя 21.

Экспериментальная проверка предложенного стенда показала, что стабильность измерения концентрации метана составила 30 суток, что значительно выше (более чем на порядок), чем у прототипа за счет автоматическрй коррекции ухода нуля и чувствительности образцового метанометра стенда. Кроме того, сокращаются затраты времени на обслуживание стенда, связанные с настройкой нуля и чувствительности. Формула изобретения Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, содержащий камеру для метановоздушной смеси, к входу которой подключена емкость с метаном, а выход камеры через побудитель расхода соединен с газовым краном, подключенным к баллону с поверочно-газовой смесью, образцовый метанометр, соединенный с термокаталитическим датчиком метана, размещенным в первой проточной ячейке, которая через расходомер подключена к насадке поверяемого сигнализатора, отличающийся тем, что. с целью повышения стабильности измерения концентрации ме- тана, он снабжен второй проточной ячейкой с управляемым клапаном, контрольным датчиком метана, контрольным манометром, блоком управления клапаном, генератором тактовых импульсов, формирователем вре- менных интервалов и последовательно сое- диненнымипреобразователем напряжение-частота, интегратором, регистром памяти, цифроа налоговым преобразователем, блоком сравнения и блоком коррекции, при этом вход второй проточной ячейки соединен с газовым краном, а выход соединен с входом первой проточной ячейки, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом формирователя временных интервалов, первый выход которого соединен с контрольным метанометром непосредственно и через блок управления клапаном-с управляемым клапаном, выход контрольного метанометра подключен к входу преобразователя напряжение-частота, а информационный вход соединен с контрольным датчиком метана, который размещен во второй проточной ячейке, второй и третий выходы формирователя вре- менных интервалов соединены соответственно с управляющими входами интегратора и регистром памяти, четвертый выход формирователя временных интервалов подключен к управляющему входу блока коррекции, выход которого подключен к образцовому метанометру. выход которого подключен к другому входу блока сравнения, при этом управляемый клапан размещен между контрольным датчиком метана и входом-выходом второй проточной ячейки.

Изобретение может быть использовано при поверке и настройке всех видов шахтных сигнализаторов метана. В стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана введены новые элементы и связи между ними: вторая проточная ячейка 11, в которой размещен контрольный датчик метана 12 контрольного метанометра 13, к выходукоторого подключены последовательно преобразователь напряжение-частота 14, интегратор 15, регистр памяти 16, цифроаналоговый преобразователь 17, блок сравнения 18 и блок коррекции 19. подключенный к входу коррекции образцового метанометра 6, В состав стенда также введены генератор тактовых импульсов 20. формирователь временных интервалов 21 и управляемый клапан 22 со схемой управления 23, причем управляемый клапан 22 размещен во второй проточной ячейке 11. Указанная новая совокупность элементов и связей между ними образует систему автоматической коррекции ухода нуля и чувствительности образцового метанометра 6 с термокаталитическим датчиком 7, за счет функционирования которой повышается стабильность измерения конецнтрации метана на стенде. 1 ил. ел с