Переносной шахтный сигнализатор метана

 

Изобретение относится к горной автоматике , т.е. к средствам автоматической сигнализации о концентрации метана в листе нахождения шахтера в выработке и может быть использовано в опасных по газу угольных шахтах и других предприятиях возможны процессы метановыделения. Цель - экономия электроэнергии, снижение веса за счет отключения части схемы сигнализатора при допустимых концентрациях метана. Сущность изобретения. Переносной шахтный сигнализатор содержит датчик метана (1), блок сигнализации (2), индикатор концентрации метана (3), источник питания

(19) (! 1) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) s Е 21 F 17/18, 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4801546/03 (22) 26.01.90 (46) 23.07.92. Бюл. М 27 (71) Институт горногодела им.A.À.Ñêo÷èíñõoãî (72) В.П.Белоножко, ИЛ,Гейхман, А.В.Ивашев, А.П.Кисленко, А,М.Онищенко и

С.В. Шапарев (53) 621.311.69 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N. 1115537, кл. Е 21 F 17/18, 1983.

Авторское свидетельство СССР

N 1444542. кл. Е 21 F17/18,,1988. (54) ПЕРЕНОСНОЙ ШАХТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР МЕТАНА (57) Изобретение относится к горной автоматике, т.е. к средствам автоматической сигнализации о концентрации метана в листе нахождения шахтера в выработке и может быть использовано в опасных по газу угольных шахтах и других предприятиях возможны процессы метановыделения.

Цель — экономия электроэнергии, снижение веса за счет отключения части схемы сигнаИзобретение относится к горной автоматике, более конкретно к средствам автоматической сигнализации о концентрации, метана в месте нахождения шахтера в выработке, и может быть использовано в опасных по газу угольных шахтах, на нефтепроводах, нефтеперерабатывающих предприятиях, химических предприятиях, тепловых электростан циях, коксохимических заводах и других предприятиях, где возможны процессы метановыделения и достижения метаном уровней опасных его концентраций в воздухе, Известен переносной шахтный сигналиэатор метана, содержащий датчик метализатора при допустимых концентрациях метана. Сущность изобретения. Переносной шахтный сигнализатор содержит датчик метана (1), блок сигнализации (2), индикатор концентрации метана (3), источник питания (4) стабилизатор напряжения (5), потенциометр (6) операционный усилитель (7), транзисторр (8), кл юч евой транзистор (9) резистор (10), кнопку безфиксации (11), причем блок сигнализации (2) содержит усилитель (12), компаратор 13, первый йнвертор 14, генератор низкой частоты (15) второй инвертор 16, ключевой элемент (17), звуковой сигнализатор (18) и генератор высокой частоты (19).

Индикатор концентрации метана (3) выполнен в виде трех цифровых индикаторов 20, 21, 22. При этом ф на, соединенный с блоком сигнализации,: О один из выходов которого подключен к из- ф мерителю концентрации метана, источник Ср питания, плюсовая шина которого соединена с одним из входов блока сигнализации и управляющим элементом стабилизатора напряжения, а минусовая шина подключена к 1 стабилизатору напряжения, блоку сигнализации, измерителю концентрации и одному из входов датчика метана, другой вход которого объединен с другим входом блока сигнализации и подключен к выходу управляемого элемента стабилизатора напряжения, пороговый блок, выполненный на ключевом транзисторе и оптопаре, при1749486 чем оптопара соединена с ключевым тран- онного усилителя, выход которого соединен зистором, который подключен к управляю- с базой транзистора, источник питания, щему элементу стабилйзатора напряжения, . плюсовая шина которого соединена с колпри этом минусовая шина источника пита- лектором транзистора и управляющим вхония подключена к оптопаре и ключевому 5 дом стабилизатора напряжения, а транзистору, а плюсовая — коптопаре(1). минусовая — с вторым входом индикатора

Известен переносной шахтйый сигна- концентрации и другим входом стабилизализатор метана который содержит дополни- тора напряжения, снабжен ключевым трантельный операционный усилитель, зистором с резистором.в цепи базы и трайзистор и потенциометр,-крайние выво- 10 двухпоэиционной кнопкой без фиксации, ды которого подключены к шинам стабили- источник питания выполнен в виде аккумузатора напряжения, а его средний вывод — лятора шахтного головного светильника, в к неинвертирующему входу операционного фаре которого расположен датчик метана, усилителя, инвертирующий вход которого блок сигнализации включает усилитель, соединен с первым выводом датчика мета- 15 компаратор, первый инвертор, последована; второй вьЬод которого подключен к опе- тельно соединенные генератор низкой часрационной шине стабилизатора, а третий тоты, второй инвертор, ключевой элемент и вывод — к входу блока сигнализации и к звуковой сигнализатор, а также генератор эмиттеру транзистора, коллектор которого высокой частоты, причем вход усилителя явподключен к положительной шине источни- 20 ляется первым входом блока сигнализации, ка питания, а база —. к выходу операционно- а выход соединен с входом компаратора, а го усйлителя f2).. также является первым выходом блока сигНедостатками известного переносного нализации; выход компаратора подключен к шахтйого сигнализатора метана являются входу инвертора, выход которого подсоедибольшой вес, высокая стоимость и большое 25 нен к входу генератора низкой частоты, а энергопотребление, Это связано со следую- также является вторым выходом блока сигщими основными обстоятельствами: ис- нализации, причем вход и первый выход гепользование автономного источника нератора высокой частоты подсоединен K питания для сигнализатора, постоянным . стабилизатору напряжения, а второй выход подключением схемы сигналиэатора к ис- 30 — к звуковому сигнализатору, кроме того точнику питания, отсутствием звуковой сиг- второй выход блока сигнализации через нализации при превышении концентраций нормально замкнутый контакт двухпозициметана заданного порога, наличием отдель- анной кнопки без фиксации и резистор с ного корпуса для источника питания и схе- базой ключевого транзистора, а через.нормы сигнализатора и размещением датчика 35 мально разомкнутый"контакт с положительметана в этом корпусе.. ной шиной стабилизатора напряжения, при

Целью изобретения-является экономия этом положительная шина источника питаэлектроэнергии и снижение веса за счет от- ния через коллекторно-эмиттерный переход ключения части схемы сигнализатора при ключевого транзистора подключена к третьдопустимых концентрациях метана, исполь- 40 ему входу индикатора концентрации.

-зование аккумуляторов шахтного головного На фиг.1 показана функциональная схесветильника в качестве источника питания ма переносного шахтного сигнализатора и установки датчика метана в фаре головно- метана; на фиг.2 — то же, принципиальная го светильника. Кроме того, изобретение схема. позволяет улучшить условия безопасности 45 Переносной шахтный сигнализатор со. за счет подачи звукового сигнала при пре- держит: датчикметана(Д) 1, соединенный с вышений.концентрацией метана заданного блоком сигнализации (БС) 2, выход которого порога, за счетустановки датчика метана в подключен к индикатору концентрации мефаре светильника и за счет совмещения сиг- тана (ИК) 3; источник питания (ИП) 4 плюсонализатора метана с шахтным головным 50 вая шина которого соединена с светильником. Все эти подцели в изобрете- управляющим входом стабилизатора напря нии достигаются одновременно. жения(СТ) 5, а минусовая шина подключена

Поставленная цель достигается тем, что к стабилизатору напряжения 5, блоку сигнапереносной шахтный сигнализатор метана, лизации 2, индикатору концентрации 3 и ко содержащий датчик метана, первый выход 55 второму выводу датчика метана 1. Крайние которого объединен сэмиттеромтранзисто- выводы потенциометра 6 подключены к шира и подсоединен к входу блока сигнализа- нам стабилизатора напряжения 5, а средции, выход которого соединен с первым, ний вывод потенциометра 6 подключен к входом индйкатора концентрации, а второй неинвертирующему входу операционного выход - к йнвертирующему входу операци- усилителя (OY) 7, инвертирующий вход кото1749486

15

25

35

45

55 рого соединен с третьим выводом датчика метана 1, первый вывод которого соединен с эмиттером транзистора 8, коллектор которого подключен к плюсовой шине источника питания 4, а база — к выходу операционного усилителя 7.

Переносной шахтйый сигнализатор метана снабжен ключевым транзистором 9 с резистором 10 в цепи базы и двухпозиционной кнопкой безфиксации 11. Блок сигнализации 2 выполнен в виде цепи из последовательно с эдиненных усилителя (У) 12, компаратора (К) 13, nepeoro инвертора 14, генератора низкой частоты (ГНЧ) 15, второго инвертора 16, ключевого элемента (БКЭ) 17, звукового сигнализатора (3) 18 и генератора высокой частоты (ГВЧ) 19. Индикатор концентрации метана 3 выполнен в виде трех цифровых индикаторов 20, 21, 22.

Источник питания 4 выполнен в виде аккумуляторов шахтного головного светильника, в фаре которого установлен датчик метана 1. Шина питания трех цифровых индикаторов 20, 21, 22 через переход эмиттерколлектор ключевого транзистора 9 соединена с положительной шиной аккумуляторной батареи источника питания 4, Резистор 10 цепи базы ключевого транзистора

9 соединен через нормально замкнутый контакт двухпозиционной кнопки без фиксации 11 с выходом первого инвертора 14 блока сигнализации 2, а через нормально разомкнутый контакт соединен с выходом стабилизатора напряжения 5.

Датчик метана 1 состоит из рабочего 23 и сравнительного 24 элементов. Индикатор концентрации метана 3 собран на аналогоцифровом преобразователе (АЦП) 25, резисторах 26 — 32, конденсаторах 33 — 38.

Источник питания 4 содержит три аккумулятора 39 — 41 НКГК-11Д и предохранитель 42, Стабилизатор напряжения 5 выполнен на основе операционного усилителя 43, мостового выпрямителя 44, транзистора 45, а также содержит резисторы 46-49, терморезистор 50, стабистор 51 и конденсаторы 52 — 54. Усилитель 12 состоит из операционного усилителя 55, резисторов 56, 58 — 62 и переменных резисторов 57, 63. Компаратор 13 содержит операционный усилитель 64, резисторы 65 — 69, конденсатор 70, диод 71.

Генератор низкой частоты 15 собран на основе двух элементов 2И-НЕ 72, 73, резистора 74 и конденсатора 75. Причем инверторы 14 и 16 выполнены на основе двух элементов 2И-НЕ, которые собраны вместе с двумя другими элементами 2И вЂ” НЕ 72, 73 в одном корпусе микросхемы К561ЛА7 (в корпусе 4 элемента 2И вЂ” НЕ). Блок ключевого элемента 17 состоит из транзистора 76, диода 77, резистора 78 и конденсатора 79.

Генератор высокой частоты выполнен в виде импульсного генератора на основе транзисторов 80, 81, резисторов 82 — 85, конденсаторов 86, 87 и повышающего трансформатора 88.

Работа переносного шахтного сигйализатора метана осуществляется следующим образом. Напряжение аккумуляторов 39-41 источника питаний 4 подается на коллектор и через резистор 49 на базу уйравляющего элемента (транзистора) 45 стабилизатора напряжения 5. На эмиттере транзистора 45 появляется напряжение, необходимое для питания генератора высокой частоты 19 блока сигналйзации 2. Генератор высокой частоты 19 начинает вйрабатывать импульсное напряжение на выходных обмотках трансформатора 88, Зто импульсное напряжение подается на мостовой выпрямитель

44, выпрямляется и сглаживается при помо-. щи конденсаторов 53, 54 стабилизатора наи ря же н ия 5. В резул ьтате с мостового выпрямителя снимается напряжение +58, необходимое для питания остальных функциональных блоков сигнализатора. Напряжение +58 стабилизируется при помощи операционного усилителя 43. Йа его инвертирующий вход через делитель напряжения из резисторов 46, 47 подается потенцйал, пропорциональный напряжению +5В, а на неинвертирующйй вход-опорное напряжение, падающее на стабисторе 51. При раз- ряде аккумуляторов. 39-41 источника питания 4 уменьшается нап ряжение на эмиттере транзистора 45 и, следовательно, " уменьшается напряженйе +58. Уменьшается потенциал на ййвертирующем входе опе-. рационного усилителя 43, на его выходе потенциал возрастает, и через резистор 48 возрастает потенциал на базе транзистора

45. Проводимость транзистора 45 увеличивается и, следовательйо, происходит увеличение напряжения на его эмиттере и повышение напряжения на выходе мостового выпрямителя 44 до номинального значения +58. Номинальное значение +58 подстраивается при помощи резистора 47, который подбирается при изготовлении..

Датчик метана 1 собран на рабочем 23 и сравнительном 24 элементах. Рабочий элемент 23 выполнен в вйде спирали из платинового микропровода с нанесенным на него каталитическим покрытием. При подаче метана на рабочем элементе происходит его окисление и выделяемая при этом энергия преобразуется в приращение сопротивления рабочего элемента. Поскбльку общая точка рабочего и сравнйтельного элементов

1749486

35 ствляемая зажиганием запятой в цифровом индикаторе 20 при отрицательном входном сигнале.

Снижение энергопотребления осущест вляется путем отключения цифровой индикации при концентрациях метана ниже 40 допустимого порога — 2%. При достижении концентрацией метана этого порога сигнал на инвертирующем входе операционного усилителя 64, работающего в режиме компаратора, становится равным напряжению уставки, создаваемому при помощи делителя напряжения из резисторов 66, 67. На

45 выходе операционного усилителя потенциал изменяется=с положительного на отрицательный. При помощи резистора 69 и диода 50

71 абсолютная величина потенциала снижается до величины сигнала логического "0", подаваемОго на инвертор 14., На выходе инвертора возникает потенциал логической

"1", который через" нормально замкнутый контакт двухпоэиционной кнопки 11 и резистор 10 отпирает ключевой транзистор 9, тем самым запитываются цифровые индикаторы. Переносной шахтный сигнализатор метана начинает выдавать цифровую инсоединена с инвертирующим входом операционного усилителя 7, а на неинвертирующий вход операционного усилителя 7 подается потенциал с потенциометра 6, равный половине напряжения питания дат- 5 чика при отсутствии метана, на общей точке датчика метана происходит стабилизация напряжения. Следовательно, рабочий эле-мент питается стабилизированным током, При изменении сопротивления рабочего 10 элемента 23 будет изменяться напряжение на нем, и в результате будет изменяться напряжение на эмиттере транзистора 8. Это напряжение усиливается операционным усилителем 55. При отсутствии метана при 15 помощи переменного резистора 57 на выходе операционного усилителя 55 устанавливается-нулевое напряжение. При подаче метана переменным резистором 63 подстраивают в широких пределах коэффици- 20 ент усиления операционного усилителя, С выхода усилителя 12 сигнал поступает на вход индикатора концентрации метана 3.

Аналоговый сигнал с выхода усилителя через делитель напряжения из резисторов 27, 25

28 .поступает на вход аналого-цифрового преобразователя АЦП 25. Открытый коллекторный выход АЦП сопрягается с тремя семисегментными цифровыми индикаторами

20 — 22. Цифровои индикатор 22 дает ин- 30 формацию о целых, индикатор 21 — о десятых, индикатор 20 — о сотых долях процента концентрации метана. В АЦП имеется индикация полярности входного сигнала, осущеформацию о концентрации метана, Одновременно потенциал логической "1" подается на вход генератора низкой частоты 15.

На выходе генератора формируются импульсы с частотой 1 Гц. Длительность импульса и паузы равны между собой.

Импульсы инвертируются при помощи инвертора 16 и подаются на базу транзистора

76 блока ключевого элемента 17. Транзистор будет поочередно отпираться и запираться. Звуковой сигнализатор 18 подключен через блок. ключевого элемента

17 к выводам первичной и вторичной обмоток генератора высокой (звуковой) частоты

19. В момент, когда транзистор 76 заперт, через звуковой сигнализатор 18 ток не будет протекать, так как однополярный ток через диод 77 заряжает койденсатор 79 и дальнейшее его протекание прекращается. В момент, когда транзистор 76 отпирается, в цепь звукового сигнализатора протекает переменный ток: в прямом направлении — через транзистор 76, в обратном — через диод 77.

Таким образом, при концентрации метана выше 2% осуществляется звуковая прерывистая сигнализация.

В переносном шахтном сигнализаторе метана предусмотрена возможность контроля концентрации метана, когда она не достигла допустимого порога — 2%, путем нажатия двухпозиционной кнопки 11. На базу ключевого транзистора 9 подается положительный потенциал, последний отпирается и запитывает цифровые индикаторы 20 — 22.

Техническими преимуществами по сравнению с известными являются: исключены автономные аккумуляторы сигнализатора метана, более чем на 50% уменьшен вес, более чем íà 25% снижено энергопотребление, повышенб эффективность сигнализации за счет одновременного включения цифровых индикаторов и звукового сигнализатора при превышении концентрацией метана 2% порога, более чем на 25% снижена стоимость (за счет исключения аккумуляторов и применения малогабаритного корпуса для схемы сигнализатора без акуумулятора), повышена эффективность контроля концентраций метана за счет установки датчика в фаре и использования аккумуляторов шахтного светильника для питания схемы сигнализатора (при этом. шахтер не сможет "забыть" сигнализатор, так как он совмещен со светильником, имеет малые габариты и вес).

Формула изобретения

Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, первый выход которого объединен с эмиттером

1749486

10 транзистора и подсоединен к входу блока нализатор, а также генератор высокой чассинхрониэации, выход которого соединен с . тоты, причем вход усилителя является перпервым входом индикатора концентрации, вым входом блока сигнализации, а выход а второй выход — к инвертирующему входу соединен с входом компаратора. а также операционного усилителя, выход которого 5 является первым выходом блока сигнализасоединен с базой транзистора, источник пи- ций, выход компаратора подключен к входу тания, плюсовая шина которого соединена инвертора, выход которого подсоединен к с коллектором транзистора и управляющим входу генератора низкой чаСтотй. а также входом стабилизатора напряжения, а мину- является вторым выходом блока сигналисовая — с вторым входом ийдикатора кон- 10 зации; причем вход и первый выход генецентрации и другим входом стабилизатора ратора высокой частоты подсоединены к напряжения, отличающийся тем, что, стабилизатору напряжения, а вторай выход с целью экономии электроэнергии и сниже- — к звуковому сигналиэатору, кроме того, ния веса, снабжен ключевым транзистором второй выход блока сигнализации через с резистором в цепи базы и двухпозицион- 15 нормально замкнутый контакт двухпоэици. ной кнопкой без фиксации, источник пита- онной кнопки без фиксации и резистор с ния выполнен в виде аккумулятора базой ключевого транзистора. а через норшахтного головного светильника, в фазе ко- " мально разомкйутый контакт с положительторого расположен датчик метана, блок сиг- ной шйной стабилизатора напряжения, при нализации включает усилитель компаратор, 20 этом положительная шина источника питапервый инвертор и последовательно соеди-- ния через коллекторно-эмиттернйй переход ненные генератор низкой частоты, второй ключевого транзистора подключена к третьинвертор, ключевой элемент и звуковой сиг- ему входу индикатора концентрации.

1749486

Составитель А. Ивашев

Техред М.Моргентал Корректор О.. Ципле

Редактор А. Мотыль

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101, «ъ

Заказ 2576 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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