Стенд для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана

тел ьствР 17/1ельствоР 17/1 46 С 00 ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИ ОПИСАНИЕ ИЗОБР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54) (57) СТЕНД ДЛЯ ПОВЕРКИ И НАСТРОЙКИ ШАХТНЫХ СИГНАЛ ИЗАТОРОВ МЕТАНА, содержащий камеру для метановоздушной смеси, к входу которой подключена емкость с метаном, а выход через побудитель расхода метановоздушной смеси соединен с газовым краном, подключенным к баллону с поверочно-газовой смесью, образцовый метанометр с термокаталитическим датчиком метана, размещенным в проточной реакционной ячейке, выход которой соединен с расходомером, соединенным с присоединительнои насадкои для подключения поверяемого шахтного сигнализатора, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и быстродействия измерения погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора метана, он снабжен газовым смесителем, побудителем расхода атмосферного воздуха, электронным регулятором расхода воздуха, блоком обработки информации, задатчиком концентрации метана, датчиком включения сигнализации шахтного сигнализатора метана и блоком сравнения, причем выход образцового метанометра подключен к первым входам блока обработки информации и блока сравнения, к вторым входам которых подключены соответственно выходы датчика включения сигнализации шахтного сигнализатора метана и задатчика концентрации метана, выход блока сравнения подключен к входу электронного регулятора расхода воздуха, соединенного с побудителем расхода атмосферного воздуха, выход которого и выход газового крана подключены к входам газового смесителя, а его выход соединен с входом проточной реакционной ячейки.45 50 55 Изобретение относится к технике безопасности-на угольных шахтах, а именно кавтоматическим системам и средствам газовой защиты, их метрологическому обеспечению, и может быть использовано при поверке и настройке всех видов шахтных сигнализаторов метана,Целью изобретения является повышениеточности и быстродействия измерения погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора метана настенде.На фиг. 1 представлена блок-схема стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана; на фиг. 2 - схема электронного регулятора; на фиг. 3 - схема задатчика концентрации метана; на фиг. 4 -схема блока обработки информации.В состав стенда входят баллон 1 с поверочно-газовой смесью, который через газовый кран 2, газовый смеситель 3 соединенс входом проточной реакционной ячейки 4,представляющей собой камеру малого объема, в которой расположен термокаталитический датчик 5 образцового метанометра 6,выполненного, например, в виде милливольтметра. Выход ячейки соединен через расходомер 7 с присоединительной насадкой 8 дляподключения поверяемого сигнализатора 9.Емкость 10 с метаном присоединена к камере1 для метановоздушной смеси, которая через побудитель 12 расхода газа (вибрационный микрокомпрессор) соединяется с газовым краном 2 и через него связана с газовым смесителем 3, выход которого соединенс проточной реакционной ячейкой 4 и черезнее с расходомером 7 и присоединительнойнасадкой 8.Регулируемый побудитель 13 расхода воздуха с электронным регулятором 14 расхода соединен с газовым смесителем 3. Выходобразцового метанометра 6 подключен к первому входу блока 15 сравнения, к второмувходу которого подсоединен задатчик 16 кон.центрации метана. Выход блока 15 сравнения подключен к электронному регулятору14. Блок 17 обработки информации своимпервым входом подсоединен к образцовомуметанометру 6, а к его второму входу подключен датчик 18 включения сигнализацииповеряемого сигнализатора 9. Электронный регулятор 14 с ПИД-законом собран на операционных усилителях (ОУ). Регулятор включает интегратор 19 и дифференциатор 20, подключенные к сумматору 21 на ОУ, который соединен с входом усилителя мощности на транзисторе 22.Задатчик 16 концентрации метана является аналоговым функционным генератором и состоит из потенциометра К, задающего уставку по концентрации в режиме стабилизации, и генератора линейно изменяющегося напряжения 23, выполненного на операционных усилителях, вырабатывающе 10 5 20 25 30 35 40 го линейно нарастающее напряжение в режиме программного регулирования.Блок 17 обработки информации включает в себя известную микроЭВМ и состоит из последовательно соединенных усилителя 24, амплитудного детектора 25, триггера 26 Шмитта, выход которого подключен к одному из входов оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 27 микроЭВМ блока 17. К второму входу ОЗУ 27 присоединен аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 28, Выход ОЗУ 27 подключен к одному из входов арифметика-логического устройства (АЛУ) 29, к второму входу которого подключен выход перепрограммируемого запоминающего устройства (ППЗУ) 30 микроЭВМ. Выход АЛУ 29 соединен с блоком 31 цифропечати.Стенд работает следующим образом.Образцовый метанометр 6 калибруется с помощью поверочно-газовой смеси, которая поступает на термокаталитический датчик 5 из баллона 1 через газовый кран 2, газовый смеситель 3, проточную ячейку 4, где расположен датчик 5 и расходомер 7. Затем, подавая метан из емкости 10 в камеру 11, приготавливают метановоздушную смесь. Полученная метановоздушная смесь подается из камеры 11 с помощью побудителя 12 расхода газа через газовый кран 2, газовый смеситель 3 к проточной реакционной ячейке 4, Воздух из окружающей атмосферы с помощью регулируемого электронным регулятором 14 побудителя 13 расхода воздуха поступает к газовому смесителю 3, куда также поступает метановоздушная смесь из камеры 11.Разбавленная воздухом метановоздуш-ная смесь с выхода смесителя 3 поступает к проточной реакционной ячейке 4 и аттестуется образцовым метанометром 6, датчик 5 которого находится в указанной ячейке. Далее аттестованная метановоздушная смесь через расходомер 7, присоединительную насадку 8 поступает к поверяемому шахтному сигнализатору 9 метана. Поскольку объем газового смесителя 3 очень мал, то процесс приготовления смеси происходит весьма быстро,Чтобы уменыдить время переходного процесса установления заданной величины концентрации метана для повышения быстродействия стенда и уменьшить искажение заданного закона изменения концентрации метана во времени, объем проточной реакционной ячейки 4, присоединительной насадки 8 поверяемого сигнализатора 9, расходомера 7 и подводящих трубок, образующих газовый тракт стенда, также должен быть очень малым.Метановоздушная смесь (МВС) с концентрацией С метана поступает из камеры 11 с помощью побудителя 12 расхода на газовый смеситель 3 и далее в проточную ячейку 4 к датчику 5 метана образцового мета 1263886знометра 6. На выходе образцового метанометра 6 будет значение напряжения Ц пропорциональное концентрации метана на датчике 5 (т. е, С 1), Это напряжение поступает на блок 15 сравнения. При работе в режиме стабилизации содержания метана на блок 15 сравнения с выхода блока 16 задат. чика поступает постоянное во времени значение напряжения 1 , пропорциональное заданной концентрации С 2 метана, причем С 2 с С 1. 10Коэффициент пропорциональности выбран так, чтобы 1 об. О/О метана в МВС соответствовал 1 В напряжения на выходе блока 16 (точно так же выбран и коэффициент передачи образцового метанометра 6). На выходе блока 15 сравнения будет разность напряжений с выхода метанометра 6 и выхода блока 16. Реализуется блок 15 сравнения на известном дифференциальном усилителе, собранном на базе операционного усилителя.Разность, напряжений является напряжением ошибки или рассогласования. Чем больше напряжение с выхода метанометра 6 отличается от напряжения с блока 16 (оно является заданной величиной или уставкой по концентрации), тем больше ца пряжение ошибки. Оно вычисляется цо формуле1 1-)с К (1-с 1-сг) (1)где К - коэффициент передачи блока 15 сравнения. Он может быть выбран равным . 30Напряжение ошибки поступает на электронный регулятор 14, который формирует по выбранному закону управляюще 6 воздействие, поступающее на побудитель 13 расхода воздуха 13. Может быть выбран известный стандартный ПИД-закон регулирования (пропорционально-интегрально-дифференциальный), поскольку ПИД-закон позволяет получить задацную точность приготовления МВС, быстродействие при установлении показания и значение перерегулирова ния. Дифференциальная составляющая закона регулирования необходима для повышения быстродействия, а интегральная точности САР стенда. Напряжение на выходе электронного регулятора 4 11(1) Описывается выражением, соответствующим 45 ПИД-закону регулирования (3)11,(1) =г МЗ,(1) +г,ЬЛ (Г) +г, ) Б (1) с(, где г, г,;г, - коэффициенты передачи пропорциональной, дифференциальной и интегральнойй составляющих электронного ПИД-регулятора 14 соответственно.При увеличении напряжения дУ, ошибки напряжение на побудителе 13 расхода согласно формуле (2) увеличивается, поэтому увеличивается расход воздуха, поступающего на смеситель 3, и концентрация метана на выходе смесителя уменьшается, что приводит к уменьшению концентрации метана на датчике 5 и соответственно к уменьшению напряжения 1 с на выходе образцового мета нометра, Поэтому ошибки, согласно формуле (1), будут уменьшаться за счет отрицательной обратной связи. Это приводит к тому, что после переходного про цесса происходит отработка заданной уставки на блоке 16 по концентрации С 2, и образцовый метанометр будет выдавать напряжение, близкое по величине к 11,. Так как в ПИД-регуляторе содержится интегрирующее звено, то точность приготовления очень высока, теоретически в установившемся режиме ошибка аГ 4 равна нулю, однако из-за неидеальности интегратора, погрешность 1 С приготовления в эксперименте получается для заданного значения С 2 = = 1,00/о объема СНч на задатчике (блок 16), равной д С=+0,03 О/О объема СН, т. е. на выходе образцового метанометра 6 стенда будет 1,03/о объема СН.Погрешность приготовления концентрации метана в предложенном стенде составляет 0,03 - 0,05/О объема СН . Причем концентрация метана, которая поступает на поверяемый метанометр 6 через расходомер 7 и црисоединительную насадку 8 может быть наперед задана с помощью потенциометра с задатчика 16 (фиг. ) .Задатчик 16 по заданной программе вырабатывает управляющее воздействие в виде: а) напряжения постоянной величины, б) линейно нарастающего во времени напряжения. Режим а) соответствует режиму стабилизации концентрации метана во времени автоматического регулятора стенда. Режим б) соответствует режиму программного регулирования, когда концентрация метана, поступающего к насадке 8, во времени повторяет вид задающей функции б). Выбор указанных режимов осуществляется оператором путем переключения задатчика 6 ца соответствующие режимы а) или б). Режим а) необходим для определения погрешности измерения шахтного сигнализатора метана путем сравнения (определения разности) по. казаний образцового метанометра 6 и поверяемого сигнализатора 9. Режим б) необходим для автоматического измерения концентрации метана, при которой срабатывает аварийная сигнализация шахтного сигцализатора 9, путем подачи к его датчику 18 линейно нарастающей концентрации метана.В стенде предусмотрена возможность автоматического Определения погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигцализатора 9. Для этого задгтчик 6 переключается в режим б). Г 1 ри этом с его выхода ца блок5 сравнения поступает линейно нарастаюгцес во времец 1 напряжение. В режиме про 1 рыммцого регхлироваци 51 коццецтрация метана, поступающего к насадке 8 поверяемого сигцализатора 9, повторяет указанную функцию времени на выходе блока 16. Когда концентрация метана, подводи- мого к насадке 8, нарастая, достигнет поро1263886 5га срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора 9, то у него включится звуковая и световая сигнализация. При этом датчик 18 включения сигнализации реагирует на звуковой сигнал (датчиком является микрофон), и напряжение с его выхода поступает к входу блока 17 обработки информации.На второй вход блока 17 через АЦП 28 поступает значение концентрации метана с выхода образцового метанометра 6. 1 ОПри появлении сигнала от датчика 18 на входе блока 17 схема формирования, образованная усилителем 24, амплитудным детектором 25 и триггером 26 Шмитта, выдает импульс записи, который поступает к ОЗУ 27 микроЭВМ блока 17. При этом происходит запись в ОЗУ концентрации метана образцового метанометра 6, которая поступает в ОЗУ через АЦП 28. АЛУ 29 микроЭВМ производит вычисление погрешности срабатывания сигнализатора 9 путем определения разности между измеренным значением концентрации, записанным в ОЗУ, и задан.ным значением концентрации, при которой должна срабатывать сигнализация. Последняя величина записывается в ППЗУ 30 мик- роЭВМ. Указанная погрешность выводится 25 на цифропечать блока 31 микроЭВМ вместе с номером поверяемого сигнализатора, который вводится в машину с клавиатуры. С помощью стенда можно производить также разбраковку поверяемых сигнализаторов по погрешности срабатывания сигнализации.Это повышает точность и быстродействие поверки погрешности срабатывания аварийной сигнализации шахтного сигнализатора, так как уменьшена погрешность приготовления смеси, а процесс измерения автоматизирован. Точность измерения погрешности срабатывания сигнализации определяется теперь только погрешностью образцового метанометра и составляет +0,1% объема СНц, что обеспечивает тройной метрологический запас.Быстродействие поверки возрастает примерно в 3 раза и составляет для одного сигнализатора порядка 1 - 2 мин. Кроме того, в стенде обеспечивается автоматическое управление и регулирование процессом приготовления аттестованной МВС, что также повышает быстродействие поверки шахтных сигнализаторов. Одновременно формируется заданный закон изменения концентрации метана (или поддержание постоянства этой величины во времени).Глад Состав и Техред И. В Тираж 436 И Государственн делам изобрете Москва, Ж - 35,П Патент, г. Уел ер ИПпо13035,филиал ПП едактор Н. Слободянаказ 5539/34ВНИ ого коми ний и о Раушскаяж город,КорректорПодписноеета СССРрытийиаб., д. 4/5Проектная Лугова