Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (s1)s Е 21 F 17/18

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4881922/03 (22) 12.11.90 (46) 30.09,92. Бюл. М 36 (71) Государственный проектно-конструкторский и научно-исследовательский институт по автоматизации угольной п ромы шлен ности "Ги и роуглеавтоматизация" (72) И,Э. Биренберг, М,Б. Львовский, Е,П. Милешин и В.Н. Долгов (56) Авторское свидетельство СССР

N 1105667, кл. Е 21 F 17/18, 1984.

Авторское свидетельство СССР

N 1263886, кл. Е 21 F 17/18, 1986.

Авторское свидетельство СССР

N 1305404, кл. Е 21 F 17/18, 1987.

Биренберг И.Э., Львовский М,Б., Тросман Г.С. и Тумко Н.Ф. Установка КИМ для настройки и регулировки шахтных приборов, — Безопасность труда в промышленности, 1985, М 3, с. 34-35, Карпов Е.Ф., Биренберг И.Э. и Басовский Б,И, Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферь!. 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 обеспечению, 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 йижнего 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 rio-" будитель 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.

1765466

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 2:(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 paboты, 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, задатчик концентрации метана, подключенный к элементу сравнения.

10 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

20 по мере изменения концентрации метана в камере от 3 до 2 об. СН4 или уставки от 0,5 до 2,0 об.,(CH4, что может привести к дополнительной погрешности измерения концентрации метана - (0,05 — 0,1)об.ф, СН, 25 Кроме того, необходимость постоянно сле45

55

Однако известный стенд имеет недостаточно высокую точность поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, поскольку величина расхода газовой смеси, от величины которой зависит показание сиг нализатора, меняется в зависимости от уставки по концентрации метана, а также величина расхода воздуха меняется при изменении концентрации метана в камере за счет работы автоматического регулятора дить за величиной расхода и вручную регулировать ее создает определенные неудобства в работе оператора и увеличивает затраты времени на обслуживание стенда. 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 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.

Целью изобретения является повышение точности поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, Для достижения укаэанной цели в 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

1765466 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 регулятор 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

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

27 расхода газовой смеси, вход которого соединен с выходом второго элемента 26 сравнения, а выход регулятора 27 подключен к побудителю 3 расхода газовой смеси.

В стенд входят дополнительный датчик

28 метана, размещенный в камере 1 с газовой 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

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 элемента 32 верхнего уровня концентрации метана.

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

Стенд работает следующим образом.

Образцовый метанометр 8 калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает из баллона 5 через двухвходовый газовый кран 4 в проточную ячейку 6, где расположен датчик 7 образцового метанометра 8, Расход поверочно-газовой смеси контролируется с помощью расходомера 9, При этом газовый кран 4 находится в положении "калибровка", а затем по окончании операции калибровки он йереводится во второе рабочее положение.

Затем, подавая при помощи побудителя

29 метан из емкости 2 в камеру 1, приготавливают в камере 1 метано-воздушную смесь. Для ускорения процесса приготовления смеси в камере 1 вентилятор 35 с крыльчаткой 36 находится во включенном состоянии. Концентрация метана в камере 1 контролируется размещенным в ней термокаталитическим датчиком 28, сигнал с выхо1765466

35

Пороговый элемент 31 нижнего уровня 50 представляет собой триггер Шмитта, к выходу которого подключен RS-триггер, благодаря чему пороговый элемент 31 находится во включенном состоянии при концентра55 да 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. СН4, а уставка срабатывания порогового элемента 32 верхнего уровня выбрана равной 3 об,% СНд.

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 мета..а 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-воздушной 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 элемента 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 отметить, 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 срабатыванию 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. ции 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 уп равляет 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 17 с 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 метено-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 концентрация метана, при которой срабатыва1765466

10 ет световая и звуковая сигнализация поверяемого шахтного сигнализатора 11, напряжение на выходе задатчика 17 медленно увеличивается со скоростью не более 0,01

В/с полинейному закону,так чтобы система 5 автоматического управления концентрацией метана отрабатывала увеличение величины концентрации СН4 со скоростью 0,01 /с.

При достижении уставки срабатывания поверяемого сигнализатора 11 звуковой сиг- 10 нал 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 посту- 15 пает напряжение с выхода образцового метанометра 8, пропорциональное величине концентрации метана на выходе системы автоматического управления (в присоединительной насадке 10). В момент поступле- 20 ния звукового сигнала от сигнализатора 11 на датчик 16 происходит запись величины концентрации метана образцового метанометра 8 в память блока обработки информации 15. 25

При этом в блоке 15 также определяется погрешность срабатывания сигнализатора как разность величины уставки срабатывания по заданию и полученной величины концентрации срабатывания сигнализации. 30

В состав предложенного стенда входит также вторая система автоматического управления величиной расхода метано-воздушной смеси, в составе которой датчик расхода 18, рабочий элемент 19 которого 35 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 элек- 40 тронный 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, 45 входящие в газовый тракт стенда, относящиеся также и к первой системе автоматического управления концентрацией метана, Сигнал с выхода датчика расхода 18, пропорциональный величине расхода газо- 50 вой 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 55 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 аэлектрический 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 íà операционных усилителях, аналогично электронному регулятору расхода воздуха 13, Интегральная составляющая в законе управления (блок 27) служит для получения заданной точности отработки уставки по величине 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, производительность 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 побудителя 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 задатчике расхода 25 постоянна, Благодаря функционированию системы автоматического управления расходом газовой смеси в предложенном стенде повышается точность поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана на 0,05 — 0,1 об. СН4, так как исключается погрешность образцового и поверяемого метанометров, связанная с изменением расхода метано-воздушной смеси. Расход газовой смеси на стенде поддерживается постоянным и равным уставке 0,2 л/мин незавйсимо от функционирования системы автоматического управления концентрацией метана, а также иных возмущающих факторов (нестабильность 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 количественно величина расхода измеряется расходомером 9, Индикатором расхода может быть милливольтметр. Одновременно также повышается удобство обслуживания за .счет автоматизации процесса управления 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 автомати1765466

50 ческого управления расходом газовой смеси представляют собой связанную двухконтурную 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 настройки 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 от датчика 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, Крометого, 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

45 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, 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 регулятор расхода газовой смеси — с побудителем газовой смеси.

2. Стенд по и. 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 через 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 венти-. лятору, причем выход порогового элемента верхнего уровня подключен к блоку световой сигнализации.

1765466

Составитель М.Львовский

Редактор З.Ходакова Техред М.Моргентал Корректор П.Гереши

Заказ 3367 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