Переносной шахтный сигнализатор метана

49486 А 1 СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 19) 21 Г 17/18, 9 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМИПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ(56) Авторское свидетельство СССР М. 1115537, кл. Е 21 Р 17/18, 1983.Авторское свидетельство СССР М 1444542. кл. Е 21 Е 17/18, 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 озможны процессы метановыделения.Цель - экономия электроэнергии, снижение еса 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, нанефтепроводах, нефтеперерабатывающихпредприятиях, химических предприятиях,тепловых электростан циях, коксохимических заводах и других предприятиях, гдевозможны процессы метановыделения и достижения метаном уровней опасных егоконцентраций в воздухе,Известен переносной шахтный сигналиэатор метана, содержащий датчик метализатора при допустимых концентрациях метана. Сущность изобретения. Переносной шахтныйсигнализатор содержит датчик метана (1), блок сигнализации (2), индикатор концентрации метана (3), источник питания (4) стабилизатор напряжения (5), потенциометр (6) операционный усилитель (7), транзистор (8), ключевой транзистор (9) резистор (10), кнопку безфиксации (1 1), 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 на, соединенный с блоком сигнализации, один из выходов которого подключен к измерителю концентрации метана, источник питания, плюсовая шйна которого соединена с одним из входов блокасигнализации и управляющим элементом стабилизатора напряжения, а минусовая шина подключена к 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, причем оптопара соединена с ключевым транзистором, который подключен к управляю- щему элементу стэбилйзатора напряжения, . при этом минусовая шина источника питания подключена к оптопаре и ключевому транзистору, а плюсовая - к оптопэре 1.Известен переносной шахтйый сигнализатор метана которьй содержит дополнительный операционный усилитель, трайзистор и потенциометр,. крайние выводы которого подключены к шинам стабилизатора напряжения, а его средний вывод - к неинвертирующему входу операционного усилителя, инвертирующий вход которого соединен с первым выводом датчика метана; второй аЪЬод которого подключен к операционной шине стабилизатора, а третий вывод - к входу блока сигнализации и к эмиттеру транзистора, коллектор которого подключен кположительной шине источника питания, а база - . к выходу операционного усйлителя 2,Недостатками известного переносного шэхтйого сигнализатора метана являются большой вес, высокая стоимость и большое энергопотребление, Это связано со следующими основными обстоятельствами; использование автономного источника питания для сигнализэтора, постоянным подключением схемы сигнализатора к источнику питания, отсутствием звуковой сигнализации при превышении концентраций метана заданного порога, наличием отдельного корпуса для источника питания и схемы сигнализатора и размещением датчика метана в этом корпусе.Целью изобретения является экономия электроэнергии и снижение веса за счет отключения части схемы сигнализатора при допустимых концентрациях метана, использование аккумуляторов шахтного головного светильника в качестве источника питания и установки датчика метана в фаре головного светильника, Кроме того, изобретение позволяет улучшить условия безопасностиза счет подачи звукового сигнала при превышений.концентрацией метана заданного порога, за счет установки датчика метана в фаре светильника и за счет совмещения сигнэлизатора метана с шахтным головным светильником, Все эти подцели в изобрете нии достигаются одновременно.Поставленная цель достигается тем, чтопереносной шахтный сигнализатор метана, содержащий датчик метана, первый выход которого объединен с эмиттером транзистора и подсоединен к входу блока сигнализации, выход которого соединен с первым входом индйкатора концентрации, а второй выход -к йнвертирующему входу операционного усилителя, выход которого соединен с базой транзистора, источник питания, плюсовая шина которого соединена с коллектором транзистора и управляющим вхо дом стабилизатора напряжения, аминусовая - с вторым входом индикатора концентрации и другим входом стабилизатора напряжения, снабжен ключевым транзистором с резистором .в цепи базы и 10 двухпозиционной кнопкой без фиксации,источник питания выполнен в виде аккумулятора шахтного головного светильника, в фаре которого расположен датчик метана, блок сигнализации включает усилитель, 15 компаратор, первый инвертор, последовательно соединенные генератор низкой частоты, второй инвертор, ключевой элемент и звуковой сигнализатор, а также генератор высокой частоты, причем вход усилителя яв ляется первым входом блока сигнализации,э выход соединен с входом компаратора, а также является первым выходом блока сигнализации; выход компэратора подключен к входу инвертора, выход которого подсоеди нен к входу генератора низкой частоты, атакже является вторым выходом блока сигнализации, причем вход и первый выход генератора высокой частоты подсоединен к стабилизатору напряжения, а второй выход 30 - к звуковому сигналиэатору, кроме тоговторой выход блока сигнализации через нормально замкнутый контакт двухпозиционной кнопки без фиксации и резистор с базой ключевого транзистора, а через.нор мально разомкнутый 3 сонтакт с положительной шиной стабилизатора напряжения, при этом положительная шина источника питания через коллекторно-эмиттерный переход ключевого транзистора подключена к треть ему входу индикатора концентрации.На фиг,1 показана функциональная схема переносного шахтного сигнализатора метана; на фиг.2 - то же, принципиальная схема.45 Переносной шахтный сигнализэтор содержит: датчик метана (Д) 1, соединенный с блоком сигнализации (БС) 2, выход которого подключен к индикатору концентрации метана (ИК) 3; источник питания (ИП) 4 плюсо вая шина которого соединена суправляющим входом стабилизатора напряжения (СТ) 5, а минусовая шина подключена к стабилизатору напряжения 5, блоку сигнализации 2, индикатору концентрации 3 и ко 55 второму выводу датчика метана 1. Крайниевыводы потенциометра 6 подключены к шинам стабилизатора напряжения 5, а средний вывод потенциометра 6 подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя (ОУ) 7, инвертирующий вход которого 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 10 последовательно с эдиненных усилителя (У) 12, компаратора (К) 13, первого инверто-. ра 14, генератора низкой частоты (ГНЧ) 15,второго инвертора 16, ключевогоэлемента 15(БКЭ) 17, звукового сигнализатора (3) 18 и генератора высокой частоты (ГВЧ) 19, Индикатор концентрации метана 3 выполнен в муляторов шахтного головного светильника, в фаре которого установлен датчик метана 1. Шина питания трех цифровых ин-,дикаторов 20, 21, 22 через переход эмиттерколлектор ключевого транзистора 9 25 соединена с положительной шиной аккумуляторной батареи источника питания 4, Резистор 10 цепи базы ключевого транзистора 9 соединен через нормально замкнутый контакт двухпозиционной кнопки без фик 30 сации 11 с выходом первого инвертора 14 блока сигнализации 2, а через нормальноразомкнутый контакт соединен с выходомстабилизатора напряжения 5,Датчик метана 1 состоит из рабочего 23 35 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 НКГКД и предохранитель 42,40 Стабилизатор напряжения 5 выполнен на основе операционного усилителя 43, мостового выпрямителя 44, транзистора 45, а также содержит резисторы 46-49,45 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 2 И-НЕ 72, 73, резистора 74 и конденсатора 75. Причем инверторы 14 и 16 выполнены на основе двух элементов 2 И-НЕ, которые собраны вместе с двумя другими элементами 2 И - НЕ 72, 73 в одном корпусе микросхемы К 561 ЛА 7 (в корпусе 4 элемента 2 И - НЕ), Блок ключевого 50 55 виде трех цифровых индикаторов 20, 21, 22.Источник питания 4 выполнен в виде акку 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, Это импульсное напряжение подается на мостовой выпрямитель 44, выпрямляется и сглаживается при помощи конденсаторов 53, 54 стабилизатора напряжения 5. В результате с мостового выпрямителя снимается напряжение +5 В, необходимое для питания остальных функциональных блоков сигнализатора. Напряжение +5 В стабилизируется при помощи Операционного усилителя 43. Йа его инвертирующий вход через делитель напряжения из резисторов 46, 47 подается потенцйал, пропорциональный напряжению +5 В, а на неинвертирующйй вход-опорное напряжение, падающее на стабисторе 51, При раз-ряде аккумуляторов. 39-41 источника питания 4 уменьшается напряжение на эмиттере транзистора 45 и, следовательно, " уменьшается напряженйе +5 В. Уменьшается потенциална инвертирующем входе опе-, рационного усилителя 43, на его выходе потенциал возрастает, и черезрезистор 48 возрастает потенциал на базе транзистора 45. Проводимость тоанзистора 45 увеличивается и, следовательйо, происходит увеличение напряжения на его эмиттере и повышение напряжения на выходе мостового выпрямителя 44 до номинального значения +5 В. Номинальное значение +5 В подстраивается при помощи резистора 47, который подбирается при изготовленииДатчик 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 элементовствляейая зажиганием запятой в цифровом 35 индикаторе 20 при отрицательном входном сигнале.Снижение энергопотребления осуществляется путем отключения цифровой индикации при концентрациях метана ниже 40допустимого порога - 2. При достиженииконцентрацией метанаэтого 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 5071 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 сигнэлизатор 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 чика при отсутствии метана, на общей точке датчика метана происходит стабилизация напряжения. Следовательно, рабочий элемент 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 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. Цифровой индикатор 22 дает ин 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 сигнализаторапротекает переменный ток: в прямом направлении - через транзистор 76, в обратном - через диод 77. Таким образом, при концентрации метана выше 20 осуществляется звуковая прерывистая сигнализация.В переносном шахтном сигнализаторе метана предусмотрена возможность контроля концентрации метана, когда она не достигла допустимого порога - 20, 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 500 уменьшен вес, более чем на 2500 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 установкй 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 эмиттеромтранзистора 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 зации; причем вход и первый выход генецентрации и другим входом стабилизатора ратора высокой частоты подсоединены к напряжения, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, стабилизатору напряжения, а второй 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 нормально замкнутый контакт двухпоэици. ной кнопкой без фиксации, источник пита- онной кнопки без фиксации и резистор с ния выполнен в виде аккумулятора базойключевоготранзистора.ачерезноршахтного головного светильника, в фазе ко- мально разомкйутыйконтакт сположительторого расположен датчик метана, блок сиг- ной шйной стабилизатора напряжения, при нализации включает усилитель компаратор, 20 этом положительная шийа йсточника пита- первый 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. Ивашевдактор А. Мотыль Техред М.Моргентал Корректор О, Цип и ГКНТ СССР зводственно-издательский комбинат "Патент"г. Ужгород, ул, Гагарина, 101 аказ 2576 ВНИИП Тираж осударственного комитета по изоб 113035, Москва, Ж, Рау