Переносной шахтный сигнализатор кислорода

 

Сущность изобретения: переносной шахтный сигнализатор кислорода содержит электрохимический датчик 1 кислорода, последовательно соединенные терморезистор 2 (термистор) 2 и подстроечной резистор 3, которые подключены параллельно датчику 1 кислорода, стабилизированный источник 4 питания и измерительный блок 5. содержащий дифференциальный усилитель 6, к выходу которого подключен блок 7 сигнализации , соединенный другим входом с плюсовым выводом источника 4 питания. Отличительной особенностью предлагаемого сигнализатора кислорода является введение операционного усилителя 8 с тремя резисторами 9-11 и транзистора 12 с подключенным к его эмиттеру вторым терморезистором (термистором) 13, которые образуют преобразователь 14 напряжение - ток. В измерительный блок 5 входят дифференциальный усилитель б, коэффициент усиления которого регулируется при помощи потенциометра 17, и измеритель 18 концентрации кислорода, подключенный к выходу дифференциального усилителя 6. Блок 7 сигнализации содержит пороговый ъ Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУбЛИК .

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

l

/

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 Ч

Ы

6д

6д

Ф .. 4

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4807941/03 (22) 30.03.90 (46) 30.03.92. Бюл. М 12 . (71) Государственный проектно-конструкторский и научно-исследовательский институт по автоматизации угольной промышленности "Гипроуглеавтоматизация" (72) И,Э.Биренберг, М.Б.Львовский и Г.С.Тросман (53) 628.354(088.8) (56) Переносной сигнализатор кислорода

"Комбиварн-С". Проспект фирмы "Дрегер", ФРГ, 1987.

Авторское свидетельство СССР

ГЬ 41016?, кл. Е 21 F 17/18, 1974.. (54) ПЕРЕНОСНОЙ ШАХТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР КИСЛОРОДА (57) Сущность изобретения: переносной шахтный сигнализатор кислорода содержит электрохимический датчик 1 кислорода, последовательно соединенные терморезистор

„, рЦ,, 1723347 А1 (я)5 Е 21 F 17/18 (термистор) 2 и подстроечной резистор 3, которые подключены параллельно датчику 1 кислорода, стабилизированный источник 4 питания и измерительный блок 5, содержащий дифференциальный усилитель 6, к выходу которого подключен блок 7 сигнализации, соединенный другим входом с плюсовым выводом источника 4 питания, Отличительной особенностью предлагаемого сигнализатора кислорода является введение операционного усилителя 8 с тремя резисторами 9 — 11 и транзистора l2 с подключенным к его эмиттеру вторым терморезистором (термистором) 13, которые образуют преобразователь 14 напряжение — ток. В измерительный блок 5 входят дифференциальный усилитель 6, коэффициент усиления которого регулируется при помощи потенциометра 17, и измеритель 18 концентрации кислорода, подключенный к выходу дифференциального усилителя 6.

Блок 7 сигнализации содержит пороговый

1723347

30

40 элемент 19 контроля концентрации кислорода с регулирующим потенциометром 20, пороговый элемент 21 контроля разряда источника питания с регулирующим потенциометром 22, ключевой транзистор 23 с сигнализирующим светодиодом 24, а также ряд сопрягающих элементов (резисторов диодов), обеспечивающих нормальную работу пороговых элементов 19, 21 и ключевого транзистора 23. Стабилизированный источник 4 питания содержит стабилизатор напряжения, собранный на

Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим средствам газовой защиты, и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля концентрации кислорода в шахтной атмосфере и предупредительной сигнализации о снижении концентрации кислорода в шахте ниже допустимых норм.

Известен переносной сигнализатор кислорода "Комбиварн — С", который основан на электрохимическом принципе измерения концентрации кислорода и содержит электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены терморезистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания.

Однако этот сигнализатор имеет недостаточно высокую точность измерения концентрации кислорода вследствие значительной температурной погрешности (0,09 об. С), поскольку термокомпенсация датчика кислорода осуществляется одним терморезистором, подключенным параллельно датчику. При этом, как правило, не удается полностью скомпенсировать всю температурную погрешность датчика в рабочем диапазоне температур, так как необходимо подбирать пары датчиков кислорода и терморезисторов с одинаковыми по абсолютной величине температурными коэффициентами, разброс которых велик (+40 ). Процесс настройки в этом случае затруднен. Температурная погрешность этого сигнализатора обусловлена остаточной разностью температурных козффициентов датчика и терморезистора, полученной в результате их подбора, и. кроме того, она зависит от разброса величины сопротивления терморезистора, так как натранзистор 26 и стабисторе 27 с сопрягающим резистором, и источник 25 питания, представляющий собой неразборный блок, в котором по требованиям взрывозащиты собраны два аккумулятора с ограничительным сопротивлением. Стабилизированный источник 4 питания соединен со схемой сигнализатора плюсовой шиной 16 (эмиттер транзистора 26) и общим проводом 15. Кроме того, плюсовой вывод источника 25 питания соединен с входом порогового элемента

21 контроля разряда. 1 ил. пряжение на выходе датчика кислорода зависит от величины сопротивления нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстроечный резистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания.

Известный сигнализатор имеет недостаточно высокую точность измерения концентрации кислорода из-за значительной температурной погрешности, поскольку температурная компенсация датчика кислорода осуществляется одним терморезистором, подключенным параллельно датчику, а для настройки термокомпенсации датчика использован подстроечный резистор, включенный последовательно с терморезистором, При таком структурном построении схемы термокомпенсации датчика кислорода из-за малых значений температурных коэффициентов сопротивлений серийных терморезисторов по сравнению с температурными коэффициентами напряжения электрохимического датчика не удается обеспечить требуемую термокомпенсацию, а следовательно. и точность измерения в интервале рабочих температур. Наличие последовательно включенного с терморезистором подстроечного резистора уменьшает влияние терморезистора на датчик кислорода, которое не достаточно для термокампенсации даже при равенстве нулю этого подстроечного резистора. что затрудняет процесс настройки.

Цель изобретения — повышение точности измерения концентрации кислорода пу1723347

10

20

40

55 тем уменьшения температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимический датчик кислорода, к которому параллельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстроечный резистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания, введены операционный усилитель с резисторами, транзистор и дополнительный терморезистор, один вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с одним из входов измерительного блока, другой вывод дополнительного терморезистора через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя, через второй резистор — с общим проводом и непосредственно — с другим входом измерительного блока, прямой вход операционного усилителя соединен с положительным электродом электрохимического датчика кислорода, отрицательный электрод которого через третий резистор подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, коллектор которого соединен с плюсовой шиной стабилизированного источника питания.

Такое выполнение сигнализатора обеспечивает уменьшение температурной погрешности, в результате чего повышается точность измерения концентрации кислорода. Кроме того, упрощается процесс настройки.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема предлагаемого си гнал и затора.

Переносной шахтный сигнализатор кислорода содержит электрохимический датчик 1 кислорода, последовательно соединенные терморезистор (термистор) 2 и подстроечный резистор 3, которые подключены параллельно датчику 1 кислорода, стабилизированный источник 4 питания и измерительный блок 5, включающий дифференциальный усилитель 6, к выходу которого подключен блок 7 сигнализации, соединенный другим входом с плюсовым выводом источника 4 питания.

В сигнализатор кислорода введен операционный усилитель 8 с тремя резисторами 9 — 11 и транзистор 12 с подключенным к его эмиттеру вторым термистором 13, которые образуют преобразователь 14 напряжение — ток.

Прямой вход операционного усилителя

8 соединен с положительным электродом датчика 1 кислорода, первый резистор 9 включен между инверсным входом операционного усилителя 8 и общим проводом 15 стабилизированного источника 4 питания.

Второй резистор 10 подключен к инверсному входу операционного усилителя 8 и третьему резистору 11, который соединен с вторым термистором 13 и общим проводом

15. База транзистора 12 соединена с выходом операционного усилителя 8, а коллектор подключен к плюсовой шине 16 стабилизированного источника 4 питания.

Второй термистор 13 подключен между входами дифференциального усилителя 6, причем его прямой вход подключен к эмиттеру транзистора 12.

В измерительный блок 5 входят дифференциальный усилитель 6, коэффициент усиления которого регулируется при помощи потенциометра 17, и измеритель 18 концентрации кислорода, подключенный к выходу дифференциального усилителя 6.

В качестве измерителя 18 концентрации кислорода может быть использован стрелочный (аналоговый) или цифровой вольтметр, шкала которого проградуирована в o6.% 02.

Блок 7 сигнализации содержит пороговый элемент 19 контроля концентрации кислорода с регулирующим потенциометром

20, пороговый элемент 21 контроля разряда источника питания с регулирующим потенциометром 22, ключевой транзистор 23 с сигнализирующим светодиодом 24, а также ряд сопрягающих элементов (резисторов, диодов), обеспечивающих нормальную работу пороговых элементов 19 и 21 и ключевого транзистора 23.

Вход порогового элемента 19 контроля концентрации кислорода блока 7 сигнализации соединен с выходом дифференциального усилителя 6 измерительного блока 5, а вход порогового элемента 21 контроля разряда соединен с плюсовым выводом источника 25 питания.

Уставка срабатывания сигнализации по концентрации кислорода регулируется потенциометром 20, а уставка срабатывания сигнализации разряда источника 25 питания — потенциометром 22. Выходы пороговых элементов 19 и 21 соединены через сопрягающие диоды и резистор с базой ключевого транзистора 23, к коллектору которого подключен сигнальный светодиод 24.

Стабилизированный источник 4 питания образуют стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе 26 и стабисторе

27 с сопрягающим резистором, и источник

25 питания, представляющий собой нераз1723347

20 датчика и не зависит от величины терми- 25 стора 13. борный блок, в котором по требованиям взрывозащиты собраны два аккумулятора с ограничительным сопротивлением. Стабилизированный источник 4 питания соединен со схемой сигнализатора плюсовой шиной 16 (эмиттер транзистора 26) и общим проводом 15. Кроме того, плюсовой вывод источника 25 питания соединен с входом порогового элемента 21 контроля разряда.

Коллектор транзистора 26 стабилизированного источника 4 соединен с плюсовым выводом источника 25 питания, а база транзистора 26 — с анодом стабистора 27.

Сигнализатор работает следующим образом.

При поступлении кислорода на датчик 1 напряжение с его выхода, пропорциональное концентрации кислорода, подается на вход операционного усилителя 8, который вместе с транзистором 12, резисторами 9—

11 и термистором 13 представляет собой преобразователь 14 напряжение — ток. Поэтому ток, протекающий через термистор

13, пропорционален напряжению с выхода

Падение напряжения на термисторе 13, следовательно, пропорционально концентрации кислорода; оно поступает на вход дифференциального усилителя 6, При повышении температуры при постоянной концентрации кислорода напряжение на выходе датчика увеличивается по экспоненциальному закону в зависимости от температуры; Сопротивление термистора 2 при этом экспоненциально уменьшается, однако его влияние на входное напряжение усилителя 8 ограничено величиной подстроечного резистора 3, который предназначен для осуществления настройки схемы термокомпенсации, необходимой из-за наличия разбросов температурных коэффициентов датчика 1, термисторов 2 и 13 и разброса величины термистора 2.

Изменение резистора 3 осуществляется так, чтобы получить минимальную температурную погрешность измерения концентрации кислорода.

Резистор 10 включен в цепь отрицательной обратной связи операционного усилителя 8 с регулирующим транзистором 12, за счет чего обеспечивается функционирование преобразователя 14 напряжение — ток.

Основная термокомпенсация в предлагаемом сигналиэаторе осуществляется за счет наличия второго термистора 13, включенного в цепь преобразователя 14 напря- жение — ток, поскольку влияние первого термистора 2 невелико и ограничено подЗО

50 строечным-резистором 3. При экспоненциальном увеличении тока от температуры через термистор 13 ввиду увеличения от температуры напряжения датчика 1 величина термистора 13. в свою очередь, экспоненциально уменьшается с повышением температуры. Поэтому падение напряжения на термисторе 13 остается практически постоянным с увеличением температуры в пределах заданной величины температурной погрешности, поскольку суммарный . температурный коэффициент термистора 2 с подстроечным резистором 3 и термистора

13 близок по абсолютной величине к температурному коэффициенту датчика 1 кислорода, Включение второго термистора 13 в цепь преобразователя 14 напряжение— ток позволяет получить по сравнению с известным устройством минимальную температурную погрешность измерения концентрации кислорода, на которую не оказывает влияние разброс величины второго термистора 13 — QGHoBHolo термокомпенсирующего элемента, а разброс величины термистора 2 устраняется подстроечным резистором 3, при этом не требуется подбирать точно подстроечный резистор 3, так как влияние термистора 2 на погрешность невелико ввиду его неполного включения, ограниченного резистором 3, Таким образом, процесс настройки по сравнению с известным устройством упрощается и одновременно повышается точность измерения концентрации кислорода в результате уменьшения температурной погрешности.

Постоянные резисторы 9 — 11 определяют коэффициент передачи преобразователя

14 напряжение — ток, причем этот коэффициент передачи прямо пропорционален величине резистора 10 и обратно пропорционален величинам резисторов 9 и 11.

Транзистор 12 обеспечивает необходимое усиление по току в цепи змиттера при работе на термистор 13, являющийся нагрузкой преобразователя 14 нэпряжение— ток, благодаря стабилизирующим свойствам которого отсутствует влияние изменения напряжения питания на величину выходного сигнала на термисторе 13. Это имеет значение при питании переносного сигнализатора кислорода от аккумуляторов блока 25, напряжение которого снижается во времени при разряде аккумуляторов, При уменьшении температуры работа схемы сигналиэатора аналогична описанной при увеличении температуры.

При уменьшении концентрации кисловода в шахтной атмосфере напряжение дэт10

1723347 раза меньше по сравнению с известными стабилизаторами, Это соответствует требованиям ГОСТ 26773-88, Применение предлагаемого переносного сигнализатора кислорода на шахтах, опасных по газу, позволяет повысить уровень техники безопасности и уменьшить простои горнорабочих по газовому фактору за счет повышения точности измерения коннализации.

Формула, изобретения

Переносной шахтный сигнализатор кислорода, содержащий электрохимичелельно подключены последовательно соединенные терморезистор и подстроечный резистор и последовательно соединенные измерительный блок, блок сигнализации и стабилизированный источник питания, отличающийся тем, что, 20 с целью повышения точности измерения концентрации кислорода за счет уменьшения температурной погрешности, в него

25 введены операционный усилитель с резисторами, транзистор и дополнительный терморезистор, один вывод которого соединен с эмиттером транзистора и с одним из входов измерительного блока, другой выводдополнительного терморезистора через первый резистор соединен с инверсным входом операционного усилителя, через второй резистор — с общим проводом и непосредственно — с другим входом измерительного блока, прямой вход операционного усилителя соединен с положительным электродом электрохимического датчика кислорода, отрицательный электрод которого через третий резистор подключен к инверсному входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, коллектор которого соединен с плюсовой шиной стабилизированного ис30

40 точника питания.

Составитель М. Львовский

Техред М.Моргентал, Корректор И. Муска

Редактор А. Огар

Заказ 1053 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 чика 1 на входе операционного усилителя 8 также уменьшается пропорционально концентрации 02. При этом уменьшается падение напряжения на термисторе 13 и, следовательно, напряжение на выходе дифференциального усилителя 6, которое поступает на измеритель 18 концентрации кислорода и на вход порогового элемента

19, При достижении концентрацией кислорода уставки срабатывания, которая регули° руется потенциометром 20, напряжение на выходе порогового элемента 19 скачкообразно возрастает, открывается ключевой транзистор 23 и включается светодиод 24, сигнализирующий о недостатке кислорода в шахтной атмосфере, Уставка срабатывания по концентрации кислорода выбирается равной 18 об.% 02 при помощи потенциометра 20. Предварительно при помощи потенциометра 17 устанавливается на чистом воздухе показание

21 об.% 02 по шкале измерителя 18 концентрации кислорода при нормальной температуре (20 5 C).

При снижении напряжения источника

25 питания до величины уставки срабатывания порогового элемента 21 по мере разряда аккумуляторов напряжение на выходе порогового элемента 21 скачкообразно возрастает, открывается транзистор 23 и включается светодиод 24, сигнализируя о . разряде источника 25 питания. Уставка срабатывания порогового элемента 21 регулируется потенциометром 22, Сигнализатор питается от источника

25 тока через известный стабилизатор напряжения, собранный на транзисторе 26 и стабисторе 27, который является также источником опорного напряжения.

Эксперименты показали, что температурная погрешность измерения концентрации кислорода предлагаемого сигнализатора не превышает +0,06 об.% Oz/OC в диапазоне рабочих температур 5 — 35 C, что в 1,5;

10- центрации кислорода и.срабатывания сиг15 ский датчик кислорода, к которому парал