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

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) А1 (б)) 4 Е 21 F 17/18

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3982394/22-03 (22) 28 .1 1.85 (46) 23.04.87. Бюл. N - 15 (71) Государственный проектно-кон— структорский и научно-исследовательский институт по автоматизации угольной промышленности (72) Ю.Н.Камынин и M.Б.Львовский (53) 622.4 12.1(088.8) (56) Штейнберг Ш.Е. и др. Промышленные автоматические регуляторы./ Под ред. Е.П.Стефани. M. Энергия, 1973, с.13-23.

Авторское свидетельство СССР

N - 11226633888866, кл . Е 2 1 F 17 /18, 1985 . (54) ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР РАСХОДА

ВОЗДУХА СТЕНДА ДЛЯ ПОВЕРКИ И НАСТРОЙ—

КИ ШАХТНЫХ СИГНАЛИЗАТОРОВ МЕТАНА (57) Изобретение относится к технике безопасности на угольных шахтах. Цель изобретения — повышение быстродействия поверки и настройки шахтных сиг- нализаторов метана путем ускорения процесса приготовления метановоздушной смеси заданной концентрации. .1я этого к выходам дифференцн,:: ора 22 и сумматора (С) 23 регулятора 14 расхода воздуха подключены соответственно входами детек" îð нуля (ДН) 24 и

1305404 пороговый элемент (ПЭ) 26. К выходам ДН 24 и ПЭ 26 подключены входы элемента 28 совпадения. Его выход соединен с управляющим входом ключевого элемента 21, по сигналу с которого через параллельно подключенную к нему емкость 20 включается или отключается интегратор 19. Вход ПЭ 26 подключен 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 настрой— ке всех видов шахтных сигнализаторов метана.

Целью изобретения является повышение быстродействия поверки и настрой10 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 смеситель 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 насадкой

8 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 через днфференциатор 22, ДН 24 и элемент

28 включается ключ, а через ПЭ 26 и элемент 28 он отключается. Порог срабатывания ПЭ 26 меньше, чем напряжение на выходе С 23 в установившемся режиме.До срабатывания ПЭ 26 и включения интегратора 19 регулятор

14 работает с ПД вЂ” законом регулирования в начале переходного процесса.

В установившемся режиме регулятор

14 работает с ПИД вЂ” законом регулирования. 2 ил. же целью выбирается с малой постоянной времени. Емкость 10 с метаном присоединена к камере 11 для метановозцушной смеси, которая через побудитель 12 расхода метановоздушной смеси (вибрационный микрокомпрессор) соединена с газовым краном 2 и через него связана с. газовым смесителем 3, выход которого подключен к проточной реакционной ячейке 4 и через нее соединен с расходомером 7 и присоединительной насадкой 8. Побудитель 13 расхода атмосферного воздуха (аналогичен побудителю 12) соединен с выходом электронного регулятора 14 расхода воздуха и подключен к газовому смесителю 3. Выход образцового метанометра 6 подключен к первому входу блока 15 сравнения, к второму входу которого подсоединен задатчик

16 концентрации метана. Выход блока

15 сравнения подключен к входу электронного регулятора 14 расхода воздуха. Блок 17 обработки информации своим первым входом подсоединен к выходу образцового метанометра 6, а к его второму входу подключен датчик 18 включения сигнализации поверяемого шахтного сигнализатора 9.

В состав электронного регулятора 14 расхода воздуха входит интегратор 19, к интегрирующей емкости 20 которого параллельно подключен ключевой элемент 21. Дифференциатор 22 своим выходом подключен к одному из трех вхо" дов сумматора 23 и к входу детектора

24 нуля. К двум другим входам сумма1305404 4 тора 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 мощно— сти. 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. 15

Интегратор 19, дифференциатор 22, сумматор 23, усилитель 25 представля— ют собой известные элементы, собранные на операционных усилителях (ОУ) .Сумматор 23 и усилитель 25 являются ин- 20 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 на полевом 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. 35

Элемент 28 совпадения является логическим элементом 2И. Блок 15 сравнения является известным дифференциальным усилителем, собранным на ОУ. ! 40

Задатчик 16 концентрации метана является аналоговым функциональным генератором и содержит цотенциометр, задающий уставку по концентрации метана в режиме стабилизации и генера- 45 тор линейно изменяющегося напряжения, собранного на ОУ, вырабатывающего линейно нарастающее напряжение в режиме программного регулирования, который используется для автоматиче- 50 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!!!митта, выход которого подключен к одному 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 запоминающее устройство (ППЗУ) микроЭВМ. К выходу

АЛУ подключен блок цифропечати микро—

ЭВМ.

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

i1, 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 Bpличины концентрации метана С в этой смеси. На выходе метанометра 6 есть значение напряжения U, пропорциональное кон1 центрации 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 U, пропорциональ2 ное концентрации метана С, причем

С меньше С,. Коэффициент пропорциональности метанометра 6 и задатчика

16 выбран равным 1 В/Х 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 Uс, больше

U и возрастает в начале переходг ного процесса, Напряжение ошибки поступает с выхода блока сравнения на вход электронного регулятора 14, который формирует управляющее воздействие (закон регулирования), поступакицее на побудитель 13 рассода воздуха.

1305404

Закон регулирования определяется предложенной структурой электронного регулятора и формируется слецующим образом.

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, 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 U< и напряжение на выходе сум2 матора 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 постуь пают 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 y<=тановления показания метанометра 6, а следовательно, ускоряется процесс приготовления метановоздушной смеси на выходе стенда и повышается быстродействие поверки и настройки шатньгх сигнализаторов. Одновременно уменьша25

ЗО

4О

A(5

55 ется величина перерегулирования регулятора 14. После того, как напряжение на выходе сумматора 23 превысит порог срабатывания порогового элемента 26, напряжение на его выходе меняет знак с положительного на отрицательный и блокирует через элемент

28 совпадения работу корректирующей цепи дифференциатор 22 — детектор 24 нуля, предотвращая ее дальнейшее воздействие через ключевой элемент 2 1 на интегратор 19, повышая надежность работы корректирующей цепи в целом, поскольку в установившемся режиме отключение интегратора ухудшает точность работы стенда. После установления показания действие корректирующей цепи, ускоряющей переходной процесс, прекращается. Для этого порог срабатывания порогового элемента 26 выбирают 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 сра:знения напряжение на выходе дифференциатора 22 меняет знак с отрицательной полярности на положительную, вследствие чего меняется знак напряжения на выходе детектора 24 нуля с положительной полярности на отрицательную, на выходе элемента 28 совпадения имеется напряжение логического нуля.

Это также вызывает отключение ключевого элемента 21, но он еще раньше отключен после срабатывания порогового элемента 26, с целью повышения надежности работы корректирующей цепи в установившемся режиме и при переходе с одной уста)зки 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) генерирует13054 ся линейно нарастающий закон изменения концентрации метана, и электрон— ный регулятор 14 работает постоянно в переходном режиме. До срабатывания порогового элемента 26 и включения 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 выхода блока 15 сравнения через усилитель 25 и суммируется с напряжениями с выходов дифференциатора 22 и ин- 1S тегратора 19. Интегратор в этот момент закорочен и своим напряжением не увеличивает напряжения ошибки в переходном процессе,а дифференциатор,.наоборот, ускоряет переходной процесс, 2О уменьшая ошнбку в переходном процессе.

Усилитель 25 является инвертирующим, сумматора 23 также инвертирующий, поэтому в результате напряже- 25 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- 30 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- 40 тическом регуляторе заканчивается установлением показания метанометра

6, равным уставке на выходе задатчика 16, а напряжение ошибки становится близким к нулю. 45

Временные диаграммы (фиг.2) поясняют описанные переходные процессы в регуляторе 14. На диаграммах обозначены: напряжение U на выходе метанометра 6; напряжение йП ошиб- 50 ки на выходе блока 15 сравнения; напряжение U „ на выходе дифференциатора 22; напряжение U*qz p на выходе детектора 24 нуля; напряжение

04 8

П „ на выходе сумматора 23; установившееся напряжение U cÄ» „„ сумматора; уставка U „р срабатывания порогового элемента 26; напряжение на выходе порогового элемента

26; напряжение Uc c на выходе элемента 28 совпадения; напряжение U на выходе интегратора 19.

Работа электронного регулятора 14 и корректирующей цепи, управляющей законом регулирования ПД вЂ” ПИД, в режиме программного регулирования не отличается от работы в описанном режиме стабилизации концентрации метана., формула изобретения

Электронный регулятор расхода воздуха стенда для поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана, содержащий интегратор, дифференциатор,сумматор и усилитель мощности, причем вход интегратора соединен с входом дифференциатора и одним из входов сумматора и является входом электрон ного регулятора, выход сумматора со.единен с входом усилителя мощности, ;.выход которого является выходом элек тронного регулятора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения .быстродействия поверки и настройки шахтных сигнализаторов метана путем ускорения процесса приготовления метановоздушной смеси заданной концентрации, в электронный регулятор расхода 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.

Составитeë-:jь Г,. Нунупаров

Техред Г ..Глеиник

Корректор А.Зимокосов

Редактор Л.Лангазо

Заказ 1 420/33 Тираж 430

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 6-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Производственно-полиграфическое предприяти<, г.ужгород, ул.Проектная,k