Переносной шахтный сигнализатор метана

(71) Институт горного дела им. А.А,СкочинСКОГО(56) Карпов Е.Ф, Физико-технические основы автоматической защиты от выделений метана, М,: Наука, 1981, с. 159 - 160.Карпов Е,Ф Биренберг И,Э. и Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. М.: Недра, 1984, с, 101 - 109.(54) ПЕРЕНОСНОЙ ШАХТНЫЙ СИГНАЛИЗАТОР МЕТАНА(57) Изобретение относится к шахтной автоматике и предназначено для контроля опасности горных работ по метану. Цель - повышение надежности за счет полного исключения глубокого разряда аккумуляторов источника питания (ИП). Сигнализатор содержит измеритель 1 концентрации метана (КМ), стабилизаторы 2 и 13 напряжения, управляющие элементы (УЭ) 3, 10, датчик 4 метана, блоки 5 и 8 сигнализации, генератор 6 низкой частоты, элемент 2 И - НЕ 7, генератор 11 высокой частоты и выпрямитель 12, Дополнительно сигнализатор снабжен блоком 14 оптопары, ключевым транзистором 15 и кнопкой 16 без фиксации. Кнопка 16 включена между базой и эмиттером УЗ 10.Стабилизатор работает в четырех режимах: режиме измерения КМ, режиме превышения КМ порога 20, режиме сигнализации о разряде аккумуляторов ИП 9, режиме защиты аккумуляторов ИП от глубокого разряда.Нажатием кнопки 16 сигнализатор вводится в рабочий режим, При номинальном напряжении аккумуляторных батарей светодиод оптопары блока 14 находится в зажженном з состоянии, При снижении напряжения акку- муляторов ниже допустимой величины светодиод гаснет, закрывается фототранзистор оптопары блока 14. В результате открывается ключевой транзистор 15, который через Б стабилизатоо 13 запиоает УЭ 10. Генератор 11 обесточивается и прекращается подача напряжения питания на все функциональные блоки сигнализатора, 3 ил,Й зобретение относитске, а конкретно к средго контроля опасностану, и может испольо внезапным выброся улучшения техникичения производительходческих машин.ель изобретения - поза счет полного исклда аккумуляторов ист На фиг,1 показана функциональная схема переносного шахтного сигнализатора метана; на фиг.2 и 3 - принципиальная схема переносного шахтного сигнализатора метана.Переносной шахтный сигнализатор метана содержит: измеритель 1 концентрации метана, стабилизатор 2 напряжения, первый управляющий элемент 3, датчик 4 метана, блок 5 сигнализации, генератор 6 низкой частоты, элемент 2 И-НЕиблок 8 звуковой я к шахтнои автоствам автоматити горных работ зоваться в опасам метана в шахбезопасности и ности добычных матическопомныхтах длувели про вышение надежючения глубокого очника питания. ности разря ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ СВ 1677344 А 1мокаталитический датчик 4 состоит из рабочего 45 и сравнительного 46 элементов, которые включены в мостовую измерительную схему, образованную резисторами 47 - 49, Блок 5 сигнализации включает в себя операционный усилитель 50, два компаратора 51, 52, транзистор 53, резисторы 5470, конденсаторы 71 - 73, диоды 74-76 и светодиод 77, Генератор 6 ниМкой частоты собран на трех логических элементах 2 ИНЕ 78 - 80, резисторе 81 и конденсаторе 82.Блок 8 звуковой сигнализации состоитиз транзистора 83, диода 84, телефонного капсюля 85, резистора 86 и конденсаторов87, 88. Источник 9 питания содержит два последовательно соединенных аккумулятора 89, 90 и резистор 91 для ограничения тока короткого замыкания. Генератор 11 высокой частоты выполнен в виде импульсного генератора на основе транзисторов 92, 93, резисторов 94-97, конденсаторов 98, 99 и 40 455055 сигнализации, источник 9 питания, второй управляющий элемент 10, генератор 11 высокой частоты, выпрямитель 12 и дополнительный стабилизатор 13 (с блокирующим входом). Выход дополнительного стабили затора 13 напряжения соединен с базой второго управляющего элемента 10, Первый вход элемента 2 И-НЕ 7 соединен с первым входом блока 5 сигнализации, второй вход которого соединен с выходом элемента 2 И НЕ 7, а третий выход - с входом измерителя 1 концентрации метана. Выход источника 9 питания соединен с коллектором первого управляющего элемента 3, выход которого соединен с управляющим входом стабили затора 2 напряжения, Один выход генератора 11 высокой частоты соединен с вторым входом блока 8 звуковой сигнализации, а другой - с входом выпрямителя 12. Выход источника питания соединен с третьим вхо дом блока 5 сигнализации и вторым входом измерителя 1 концентрации.Переносной шахтный сигнализатор метана снабжен блоком 14 оптопары, ключевым транзистором 15 и кнопкой 16 (без 25 фиксации), которая включена между базой и эмитте ром дополнительного управляющего элемента 10, Выход источника 9 питания соединен с входом блока 14 оптопары, выход которого через ключевой транзистор 15 30 соединен с блокирующим входом дополнительного стабилизатора 13 напряжения.Измеритель 1 концентрации метана состоит из аналого-цифрового преобразователя 17, двух цифровых индикаторов 18, 19, 35 светодиода 20, резисторов 21 - 31 и конден-.саторов 32 - 36, Стабилизатор 2 напряжения собран на операционном усилителе 37, резисторах 38-42 и конденсаторах 43, 44, Те рповышающего трансформатора 100. Выпрямитель 12 собран на мостовом выпрямителе 101 и сглаживающих емкостях 102, 103, Дополнительный стабилизатор 13 напряжения. состоит из операционного усилителя 104, резисторов 105 - 108, конденсаторов 109, 110 и стабистора 111, Блок 14 оптопары содержит собственно оптопару 112 и резисторы 113 - 116, Кнопка (без фиксации) 16 содержит собственно кнопку 117 и резистор 118,Работа переносного шахтного сигнализатора метана в первом режиме, т,е, в режиме измерения концентрации метана, осуществляет следующим образом,Для введения сигнализатора в первый режим необходимо нажать и отпустить кнопку 117, При нажатии кнопки 117 от источника питания на базу транзистора 10 попадает высокий потенциал, транзистор открывается и на его эмиттере появляется напряжение, необходимое,для питания генератора 11 высокой частоты. Генератор начинает вырабатывать импульсное напряжение на выходных обмотках трансформатора 100. При помощи выпрямителя 12 это импульсное напряжение выпрямляется и сглаживается. В результате с выпрямителя снимается напряжение5 В, необходимое для питания остальных функциональных блоков сигнализатора, После отпускания кнопки 117 начинается стабилизация напряжения питания +5 В при помощи дополнительного стабилизатора 13 напряжения и дополнительного управляющего элемента (транзистора) 10, Напряжение питания +5 В через делитель напряжения из резисторов 105, 106 подается на инверсный вход операционного усилителя 104. На прямой его вход подается опорное напряжение, падающее на стабисторе 111, При разряде аккумуляторов иСточника питания снижается напряжение на эмиттере транзистора 10 и, как следствие, уменьшение напряжения питания +5 В, В результате уменьшается потенциал на инверсном входе операционного усилителя 104, на его же выходе потенциал возрастает и через резистор 108 возрастает потенциал на базе транзистора 10. Проводимость последнего увеличивается и, следовательно, происходит повышение напряжения на его эмитгере, а в результате, и повышение напряжения питания до номинального значения 5 В. Номинальное значение+5 В подстраивается при помощи подборочного резистора 106. Напряжение источника питания от батареи аккумуляторов 89 и 90 подается на управляющий элемент 3 стабилизатора 2 напряжения, С выхода уп 1677344равляющего элемента (эмитте ра транзистора) 3 снимается стабилизированное напряжение, необходимое для питания мостовойсхемы термокаталитического датчика.Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом.На прямой вход операционного усилителя 37 подается опорное напряжение через делитель напряжения, собранный нарезисторах 40, 41. На инверсный вход через делитель напряжения, собранный на резисторах 38, 39, подается напряжение, пропорциональное стабилизированномунапряжению, снимаемому с эмиттера трэнзистора 3. При разряде аккумуляторов снижается потенциал на эмиттере транзистора 3 и, следовательно, на инверсном входе операционного усилителя 37 на его же выходе потенциал возрастает, а через резистор 42 повышается потенциал базы транзистора 3, Проводимость последнеговозрастает и вызывает повышение выходного напряжения до номинального эначения. Номинальное значение 1,6 - 1,75 В выставляется подбором резистора 41. Датчик метана 4 состоит из последовательно соединенных рабочего 45 и сравнительного46 элементов, совместно с балластными резисторами 47, 48, 49, образующих измерительный мост. Баланс моста производится потенциометрическим резистором 48, Количественное содержание метана в воздухе определяется по, изменению сопротивления рабочего терморезистора 46. Тепло, выделяемое при беспламенном сжигании метана на.каталитически активной поверхности рабочего элемента, вызывает повышение его сопротивления и приводит к изменению величины разбаланса мостовой схемы. Выход моста подключен к входу усилителя блока 5 сигнализации, собранного на основе операционного усилителя 50, Переменным резистором 58 подстраивают в широких пределах коэффициент усиления операционного усилителя. С выхода усилителя сигнал поступает на вход измерителя 1 , концентрации метана, Аналоговый сигнал с выхода усилителя через делитель напряжения из резисторов 23, 26 и Г-образный ЯС- фильтр, образованный резистором 25 и конденсатором 34, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 17.Открытый коллекторный выход АЦП 17 сопрягается с двумя семисегментными индикаторами 18, 19, В АЦП 17 имеется индикация полярности входного сигнала, осуществляемая при помощи светодиода 20, Показания цифровых индикаторов 18, 19 при помощи резисторов 48 и 58 подстраиваются под измеряемый уровень концентра 15 20 25. зуется как элемент НЕ. С выхода элемента 30 45 том транзисторе 83 переменный ток одной,50 55 510 35 40 ции метана в воздухе, Делитель из резисторов 21, 22 предназначен для подачи на АЦП опорного напряжения 1,75 В, Конденсатор 32 и резистор 24 - элементы интегратора, резистор 27 и конденсатор 36 - элементы генератора тактовых импульсов.Второй режим работы сигнализаторов, т,е, сигнализация о превышении концентрацией метана порога 2, обеспечивается следующим образом. Потенциал на инверсном входе компаратора 51 блока 5 сигнализации достигает уровня потенциала, создаваемого при помощи делителя напряжения из резисторов 59, 60. При помощи переменного резистора 60 можно изменять уставку срабатывания сигнализатора. На выходе компаратора 51 происходит смена полярности потенциала с положительного на отрицательный. При помощи резистора 62 и диода 75 абсолютная величина напряжения снижается до величины сигнала "0", подаваемого на вход элемента 2 И-НЕ 78 генератора низкой частоты. Элемент 2 И - НЕ 78 в сигнализаторе исполь 2 И - НЕ 78 сигнал "1" дает разрешение рабо.ты генератора низкой частоты, попадая на вход элемента 2 И - НЕ 79. На выходе элемента 2 И - НЕ 79 появляются импульсы с частотой 1 Гц, Длительность импульса и паузы равны между собойИмпульсные сигналы через элемент 2 И - НЕ 7 попадают на базы транзисторов 53 (блок 5 сигнализации) и 83 (блок 5 звуковой сигнализации) и начинают коммутацию прерывистой световой (светодиод 77 блока 5 сигнализации) и звуковой (капсюль 85 блока 8 звуковой сигнализации) сигнализации. Для обеспечения работы блока звуковой сигнализации 8 телефонному капсюлю 85 через транзистор 83 и диод 84 подается импульсное напряжение звуковой частоты, снимаемое с первичной и вторичной обмоток трансформатора 100 генератора 11 высокой частоты, При заперполярности заряжает конденсаторы 87, 88 и дальнейшее его протекание прекращается, Если же транзистор 83 открыт, то путь для переменного тока через капсюль 85 открыт в обоих направлениях:. в прямом - через диод 84, в обратном - через транзистор 83, и в таком случае осуществляется звуковая сигнализация.Третий режим работы сигнализатора,т,е, сигнализация о разряде аккумуляторов источника 9 питания, осуществляется следующим образом.На прямой вход компаратора 52 блока 5 сравнения подается напряжение, пропорциональное напряжению источника 9 пита 1677344ния через делитель напряжения из резисторов 63, 65, На инверсный вход компаратора 52 подается опорное напряжение, падающее на диоде 74. При разряде аккумулятора фо напряжения уставки 2,05 + 0,5 В потен иал на прямом входе компаратора станоится меньше чем на инверсном. На выходе омпаратора появляется отрицательный поенциал, и при помощи диода 76 абсолютое значение этого потенциала снижается о уровня "0", Потенциал "0" подается на ход элемента 2 И - НЕ 7 и, как следствие, на го выходе появляется потенциал "1", т.е, напряжение+5 В, Этот высокий потенциал вызывает коммутацию непрерывного светоого (светодиод 77 блока 5 сигнализации) и звукового капсюль 85 блока 8 звуковой сигнализации) сигнала,Четвертый режим работы, т.е, режим зациты аккумуляторов источника питания от глубокого разряда, осуществляется следуюЩим образом.Когда напряжение аккумуляторных батарей соответствует номинальному, светоДиод оптопары 112, который питается от аккумуляторной батареи через подстроечый резистор 113, находится в зажженном остоянии. При снижении напряжения аккууляторов ниже допустимой величины свеодиод гаснет, при этом закрывается ототранзистор оптопары 112, вследствие его открывается ключевой транзистор 15. а его коллекторе появляется низкий потениал, подаваемый на блокирующий вход перационного усилителя 104 стабилизатоа 13 напряжения, Этот низкий потенциал арушает нормальную работу операционного усилителя 104, на выходе операционного усилителя 104 и, следовательно, на,базе транзистора 10 исчезает положительный управляющий потенциал. Транзистор 10 запирается и обесточивает генератор 11 высокой частоты. В результате на выходе ,выпрямителя 12 исчезает напряжение питания +5 В. Таким образом, прекращается по, дача напряжения питания на все функциональные блоки сигнализатора, Дальнейшее включение сигнализатора, связанное с накоплением заряда в аккумуляторах и повышением их напряжения, 5 10 15 20 коллектором второго управляющего эле 25 мента и подключен к источнику питания, выход стабилизатора напряжения подклю 30 35 40 45 50 невозможно, так как невозможно включение генератора 11 высокой частоты, Новое введение сигнализаторэ в рабочий режим возможно только при нажатии кнопки 117.Формула изобретения Переносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, вход которого обьединен с управляющим входом стабилизатора напряжения и соединен с эмиттером первого управляющего элемента, а выход - с первым входом блока сигнализации, первый выход последнего подключен к одному из входов элемента 2 И - НЕ непосредственно, а второй выход через генератор низких частот - с другим входом элемента 2 И - НЕ, выход которого подключен к первому входу звуковой сигнализации и к второму входу блока сигнализации, третий выход которого подключен к первому входу измерителя концентрации метана, второй вход которого объединен с третьим входом блока сигнализации коллектором первого управляющего элемента и чен к базе первого управляющего элемента, база второго управляющего элемента соединена с выходом дополнительного стабилизатора напряжения, а эмиттер второго управляющего элемента через генератор высокой частоты соединен с входом выпрямителя и с вторым входом блока звуковой сигнализации, выход выпрямителя подключен к входам питания стабилизаторов напряжения и элемента 2 И - НЕ, третьему входу измерителя концентрации метана и к четвертому входу блока сигнализации, о тл и ч а ю щ и.й с я тем, что, с целью повышения надежности за счет полного исключения глубокого разряда аккумуляторов источника питания, он снабжен блоком оптопары, ключевым транзистором и кнопкой, при этом кнопка одним концом подключена к коллектору, а другим - к базе второго управляемого элемента, выход источника питания соединен с входом блока оптопары, выход которого. через ключевой транзистор подключен к блокирующему входу дополнительного стабилизатора.1677344 оставитель И.Наэаркинехред Ч.Маргентал ректор Т.Пал эктор М,Келеме роиэводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина,Заказ 3097 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комь"теча по изобретениям и открытиям при ГКНТ ССС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5