Электронный регулятор расхода воздуха стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана

) (11 51)4 Е 21 Р 17/ Г"и,ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ тно кон -едователь(57) Изобрет безопасности ие хнике осится а ии уголь а уг льных шахтах.Це ение быстродейс изобретения - повы овский ия поверки иализаторов ме оики шахтныхпутем ускорения метановконцентрации ана нияздушДля 224 рас процесса пригной смеси задаэтого к выходи сумматора (Схода воздуха пно входами дет П.р омышле норы./ Под гия, 1973,овле нной м ди реренци,:, оррегулятора СССР198 одключены соответств ектор нуля (ДН) 24 и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Государственный проеструкторский и научно-исслский институт по автоматиной промышленности(56) Штейнберг Ш.Е, и др.ные автоматические регуляред, Е,П,Стефани. М,: Энес.13-23.Авторское свидетельствУ 1263886, кл. Е 21 Р 17/ 4) ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР РАСХОДАЗДУХА СТЕНДА ДЛЯ ПОВЕРКИ И НАСТРОЙШАХТНЫХ СИГНАЛИЗАТОРОВ МЕТАНА1305404 пороговый элемент (ПЭ) 26, К выходам ДН 24 и ПЭ 26 подключены входыэлемента 28 совпадения. Его выходсоединен с управляющим входом ключевого элемента 21, по сигналу с которого через параллельно подключеннуюк нему емкость 20 включается или отключается интегратор 19. Вход ПЭ 26подключен к выходу С 23 и входу усилителя 27 мощности. На вход С 23 регулятора 14 через усилитель 25 подключен выход блока 15 сравнения текущей и заданной концентраций метаИзобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах, а именно к автоматическим системам и средствам газовой защиты, их метрологическому обеспечению, и может быть 5 использовано при поверке и настройке всех видов шахтных сигнализаторов метана.Целью изобретения является повышение быстродействия поверки и настрой 10 ки шахтных сигнализаторов метана путем ускорения процесса приготовления. метановоздушной смеси заданной концентрации.На фиг,1 изображена блок-схема электронного регулятора в составе стенда; на фиг.2 - временные диаграммы работы электронного регулятора.В состав стенда входят баллон с поверочно-газовой смесью, который через газовый кран 2, газовый смеси- тель 3 соединен с входом проточной реакционной ячейки 4, представляющей собой камеру малого объема, в которой расположен термокаталитический датчик 5 образцового метанометра 6, выполненного в виде милливольтметра. Выход ячейки соединен через расходомер 7 с присоединительной насадкой308 для подключения поверяемого сигналиэатора 9.Для повышения быстродействия стен-, да объем смесителя 3, проточной ячейки 4, расходомера 7, присоединительной насадки 8 и подводящих трубок, .образующих газовый тракт стенда, должен быть малым. Датчик 5 с этой на. Сигналом ошибки с блока 15 черезднфференциатор 22, ДН 24 и элемент28 включается ключ, а через ПЭ 26и элемент 28 он отключается. Порогсрабатывания ПЭ 26 меньше, чем напряжение на выходе С 23 в установившемся режиме,До срабатывания ПЭ 26 ивключения интегратора 19 регулятор14 работает с ПД - законом регулирования в начале переходного процесса.В установившемся режиме регулятор14 работает с ПИД - законом регулирования 2 ил же целью выбирается с малой постоянной времени, Емкость 10 с метаномприсоединена к камере 11 для метановозцушной смеси, которая через побудитель 12 расхода метановоздушнойсмеси (вибрационный микрокомпрессор)соединена с газовым краном 2 и черезнего связана с. газовым смесителем 3,выход которого подключен к проточнойреакционной ячейке 4 и через нее соединен с расходомером 7 и присоединительной насадкой 8. Побудитель 13расхода атмосферного воздуха (аналогичен побудителю 12) соединен с выходом электронного регулятора 14расхода воздуха и подключен к газовому смесителю 3, Выход образцовогометанометра 6 подключен к первомувходу блока 15 сравнения, к второмувходу которого подсоединен задатчик16 концентрации метана. Выход блока15 сравнения подключен к входу электронного регулятора 14 расхода воздуха, Блок 17 обработки информациисвоим первым входом подсоединен квыходу образцового метанометра 6,а к его второму входу подключен датчик 18 включения сигнализации поверяемого шахтного сигнализатора 9.В состав электронного регулятора 14расхода воздуха входит интегратор 19,к интегрирующей емкости 20 которогопараллельно подключен ключевой элемент 21. Дифференциатор 22 своим выходом подключен к одному из трех вхо 1дов сумматора 23 и к входу детектора24 нуля. К двум другим входам сумма 1305404тора 23 подключены выход интегратора 19 и выход блока 15 сравнения через усилитель 25, к выходу блока 15 подсоединены также входы интегратора 19 и дифференциатора 22. К выходу сумматора 23 подключены входы порогового элемента 26 и усилителя 27 мощности. Выход усилителя 27 мощности подсоединен к побудителю 13 расхода атмосферного воздуха, выходы детектора 10 24 нуля и порогового элемента 26 подключены к входам элемента 28 совпадения, выход которой подключен к управляющему входу ключевого элемента 21. 15Интегратор 19, дифференциатор 22, сумматор 23, усилитель 25 представляют собой известные элементы, собранные на операционных усилителях (ОУ).Сумматор 23 и усилитель 25 являются ин вертирующими. Усилитель 27 мощности собран на транзисторе и также является известным элементом. Усилитель 25 введен как вспомогательный элемент для усиления напряжения на входе сумматора 23.Ключевой элемент 2 1 выполнен наполевом транзисторе, сток и исток которого подключены к интегрирующей емкости 20, а затвор подключен к вы- ЗО ходу схемы 28 совпадения.Детектор 24 нуля представляет собой нуль-орган, выполненный на ОУ, Пороговый элемент 26 является триггером Шмитта. 35Элемент 28 совпадения является логическим элементом 2 И. Блок 15 сравнения является известным дифференциальным усилителем, собранным на ОУ,40Задатчик 16 концентрации метана является аналоговым функциональным генератором и содержит цотенциаметр, задающий уставку по концентрации метана в режиме стабилизации и генера тор линейно изменяющегося напряжения, собранного на ОУ, вырабатывающего линейно нарастающее напряжение в режиме программного регулирования, который используется для автоматиче О ского определения сигнальной концентрации шахтного сигнализатора.Блок 17 обработки информации имеет микроЭВМ и цепь формирования сигнала записи, подключенную к выходу датчика 18 вкпючения сигнализации (микрофон), которая состоит из последовательно соединенных усилителя амплитудного детектора и триггера 1 Имитта, выход которого подключен кодному из входов оперативного апоминающего устройства (ОЗУ) микроЭВМ,К второму входу ОЗУ подключен ЛЦП,который подключен к выходу образцового метанометра 6. Выход ОЗУ подключен к одному из входов арифметикологического устройства (АЛУ) микроЭВМ, к второму входу которого подключено перепрограммируемое запоминающееустройство (ППЗУ) микроЭВМ. К выходуАЛУ подключен блок цифропечати микро -ЭВМ. Стенд работает следующим образом.Образцовый метанометр 6 калибру- ется 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 д 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 ячейке 4 и поступает к датчику 5 образ .ового мета.-.о:етра 6, при этом его показания начинают возрастать во времени до величины концентрации метана С в этой смеси. На выходе метанометра 6 есть значение напряжения П , пропорциональное концентрации метана на датчике 5, т.е. С, . Это напряжение поступает на первый вход блока 15 сравнения. При работе стенда в режиме стабилизации содержания метана на второй вход блока 15 сравнения с выхода задатчика 16 концентрации метана поступает постоянное напряжение П , пропорциональ 2ное концентрации метана С , причем С 2 меньше С,. Коэффициент пропорциональности метанометра 6 и задатчика 16 выбран равным 1 В/Е об. СНд. На выходе блока 15 сравнения формируется напряжение ошибки, равное разности напряжений с выхода метанометра 6 и задатчика 16. Оно имеет положительную полярность, поскольку 0 с, больше П и возрастает в начале переход 2ного процесса, Напряжение ошибки поступает с выхода блока сравнения на вход электроннога регулятора 14, который формирует управляющее воздействие (закон регулирования), поступакзцее на побудитель 13 рассада воздуха.Закон регулирования определяетсяпредложенной структурой электоонногорегулятора и формируется слецующимобразом. Напряжение ошибки в момент подачи смеси на датчик 5 положительно. Оно поступает на вход дифференциатора 22 с выхода блока 15 сравнения, и напряжение на выходе дифференциатора 22 имеет отрицательную полярность (дифференциатор инвертирует сигнал) до тех пор, пока напряжение ошибки не поменяет знак с плюса на минус,т.е. прекратит свой рост, В момент максимального значения напряжения ошибки ее производная равна нулю, и напряжение на выходе дифференциатора 22 также равно нулю. Все время, пока напряжение ошибки положительно, а напряжение на выходе дифференциатора отрицательно, на выходе детектора 24 нуля, подключенного к выходу дифференциатора 22, имеется положительное напряжение, которое поступает на вход элемента 28 совпадения, На другой вход схемы совпадения с выхода порогового элемента 26 поступает также положительное напряжение, поскольку его уставка срабатывания выбрана меньше, чем напряжение задатчика Бс и напряжение на выходе сумматора в первый момент времени меньше, чем указанное напряжение уставки, срабатывания порогового элемента.Поэтому в первый момент времени нарастания напряжения ошибки на оба входа элемента 28 совпадения постуьпают положительные напряжения с выходов порогового элемента 26 и детектора 24 нуля и на выходе элемента 28 совпадения имеется положительное напряжение логической единицы которое поступает на управляющий вход ключевого элемента 21 и вызывает его срабатывание. При этом емкость 20 интегратора 19 закорачивается и разряжается через открытый ключевой элемент 21. Шунтирование интегрирующей емкости 20 интегратора 19 отключает интегратор и уменьшает время переходного процесса в электронном регуляторе 14, тем самым ускоряется процесс установления показания метанометра 6, а следовательно, ускоряется процесс приготовления метановоздушной смеси на выходе стенда и повышается быстродействие поверки и настройки шатньгх сигнализаторов. Одновременно уменьша 25 ЗО 35 4 О 50 55 ется величина перерегулирования регулятора 14. После того, как напряжение на выходе сумматора 23 превыситпорог срабатывания порогового элемента 26, напряжение на его выходе меняет знак с положительного на отрицательный и блокирует через элемент28 совпадения работу корректирующейцепи дифференциатор 22 - детектор 24нуля, предотвращая ее дальнейшее воздействие через ключевой элемент 2 1 наинтегратор 19, повышая надежность работы корректирующей цепи в целом,поскольку в установившемся режимеотключение интегратора ухудшает точность работы стенда. После установления показания действие корректирующей цепи, ускоряющей переходной процесс, прекращается. Для этого порогсрабатывания порогового элемента 26выбирают немного меньше, чем напряжение на выходе сумматора 23 в установившемся режиме,Таким образом, ключевой элемент 21 включается цепочкой дифференциатор 22 - детектор 24 нуля через элемент 28 совпадения, а отключается при помощи порогового элемента 26 также через элемент 28 совпадения. После срабатывания порогового элемента 26, как только прекращается рост напряжения ошибки, на выходе блока 15 сравнения напряжение на выходе дифференциатора 22 меняет знак с отрицательной полярности на положительную, вследствие чего меняется знак напряженияна выходе детектора 24 нуля с положительной полярности на отрицательную, на выходе элемента 28 совпадения имеется напряжение логического нуля, Это также вызывает отключение ключе"вого элемента 21, но он еще раньшеотключен после срабатывания порогового элемента 26, с целью повышения надежности работы корректирующей цепи в установившемся режиме и при переходе с одной уставки по концентрации на другую, большую по величине, когда уже не требуется отключать интегратор. Отключение интегратора и ускорение процесса приготовления смеси требуется при запуске стенда и выведении его с нулевых показаний на установившееся заданное значение, а также при автоматическом определении сигнальной концентрации сигнализатора, когда йа выхоце стенда (в присоединительной насадке 8) генерирует 13054ся линейно нарастающий закон изменения концентрации метана, и электронный регулятор 14 работает постоянно в переходном режиме. До срабатывания порогового элемента 26 и вклю чения интегратора 19 регулятор 14 работает с ПД-законом регулирования в начале переходного процесса, а в установившемся режиме регулятор 14 работает с ПИД-законом регулирования . 10 По мере роста напряжения ошибки,эта величина поступает на сумматор 23 с выходаблока 15 сравнения через усилитель 25 и суммируется с напряжениями с выходов дифференциатора 22 и ин тегратора 19. Интегратор в этот момент закорочен и своим напряжением не увеличивает напряжения ошибки в переходном процессе,а дифференциаторнаоборот, ускоряет переходной процесс, 20 уменьшая ошнбку в переходном процессе.Усилитель 25 является инвертирующим, сумматора 23 также инвертирующий, поэтому в результате напряже ние на выходе сумматора увеличивается в начале переходного процесса,также увеличивается и напряжение на побудителе 13 расхода возуха, который подключен через усилитель 27 к выхо- ЗО ду сумматора, количество воздуха, подаваембе на смеситель 3, увеличивается, что приводит к уменьшению концентрации метана в смеси, поступающей в ячейку 4 к датчику 5 метапометра 6.Поэтому напряжение на выходе метанометра 6 начинает уменьшаться, следовательно начинает уменьшаться напряжение ошибки на выходе блока 15 сравнения. Переходный процесс в автома тическом регуляторе заканчивается установлением показания метанометра 6, равным уставке на выходе задатчи" ка 16, а напряжение ошибки становится близким к нулю, 45Временные диаграммы (фиг.2) поясняют описанные переходные процессы в регуляторе 14. На диаграммах обозначены; напряжение Ь на выходе метанометра 6; напряжение йП ошиб ки на выходе блока 15 сравнения; напряжение Б на выходе дифференциатора 22; напряжение П о на выходе детектора 24 нуля; напряжение 04 8Пна выходе сумматора 23; установившееся напряжение Б ,сумматора; уставка Б р срабатывания порогового элемента 26; напряжениена выходе порогового элемента 26; напряжение У с на выходе элемента 28 совпадения; напряжение Б на выходе интегратора 19.Работа электронного регулятора 14 и корректирующей цепи, управляющей законом регулирования ПД - ПИД, в режиме программного регулирования не отличается от работы в описанном режиме стабилизации концентрации метана.,формула изобретенияЭлектронный регулятор расхода воздуха стенда для поверки и настройкишахтных сигнализаторов метана, содержащий интегратор, дифференциатор,сумматор и усилитель мощности, причем вход интегратора соединен с входом дифференциатора и одним из входовсумматора и является входом электронного регулятора, выход сумматора со,единен с входом усилителя мощности, ,.выход которого является выходом элек тронного регулятора, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения быстродействия поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана путем ускорения процесса приготовленияметановоздушной смеси заданной концентрации, в электронный. регуляторрасхода воздуха стенда введены ключевой элемент, детектор нуля, элемент совпадения и пороговый элемент,причем входы детектора нуля и порогового элемента подключены соответственно к выходам дифференциатора и сумматора электронного регулятора расхода воздуха стенда, входы элемента совпадения подсоединены к выходам детектора нуля и порогового элемента соответственно, выход элемента совпадения соединен с управляющим входом ключевого элемента, который подключен параллельно емкости интегратора электронного регулятора расхода воздуха стенда, а вход порогового элемента подключен к выходу сумматора и входу усипителя мощности.1 о уд удгрр;уруп фех 1 ец Г,.Г:лейвикКсрре Л.Ла ОР ЛсдниснОЯ СССР КЗЫТИ И зГ О Р чс.Ужгород 33 Ч ВНИИПИ Гас удар ст з пО,цютям изобд 9Врр , ) ННОГО ТР НИ куя наб д,л.Проектная,