Сигнализатор метана

 

Изобретение относится к средствам контроля рудничной атмосферы, а именно к устройствам, сигнализирующим о достижении предельно допустимой концентрации метана в атмосфере. Сигнализатор метана содержит мостовую измерительную схему, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, арифметико-логическое устройство, запоминающее устройство и аккумуляторную батарею. Выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом усилителя постоянного тока, выход которого соединен с входом мостовой измерительной схемы и первым входом аналогового коммутатора. Выход мостовой измерительной схемы и аккумуляторная батарея соединены соответственно со вторым и третьим входами аналогового коммутатора. Выход аналогового коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с первым входом арифметико-логического устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входом цифроаналогового преобразователя, входом индикатора порогового уровня, четвертым входом аналогового коммутатора и входом запоминающего устройства. Второй вход арифметико-логического устройства соединен с выходом запоминающего устройства. Цифровая обработка сигналов позволяет повысить точность измерения и упростить процедуру регулировки и настройки. 1 ил.

Изобретение относится к средствам контроля рудничной атмосферы, а именно к устройствам, сигнализирующим о достижении предельно допустимой концентрации метана в атмосфере.

Известен сигнализатор метана, содержащий мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены активный термокаталитический и компенсационный элементы датчика метана, усилитель, вход которого связан с выходом мостовой измерительной схемы, а выход - со входом устройства сигнализации, преобразователь, первый и второй выходы которого соединены соответственно со входом мостовой измерительной схемы и усилителем, стабилизатор напряжения, первый, второй и третий выходы которого соединены со входами мостовой измерительной схемы, преобразователя и устройства сигнализации, и блок контроля напряжения аккумуляторной батареи [1]. Недостатками такого устройства являются сложность его обслуживания вследствие наличия большого количества регулировочных элементов и низкая точность измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является сигнализатор метана, содержащий мостовую измерительную схему, вход которой соединен с выходом стабилизатора напряжения, а выход мостовой измерительной схемы соединен со входом масштабирующего усилителя, выход масштабирующего усилителя соединен с первым входом компаратора превышения порогового уровня метана, выход компаратора порогового уровня метана соединен с первым входом индикатора порогового уровня, источник первого опорного напряжения, соединенный со вторым входом компаратора превышения порогового уровня, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), соединенный с выходом масштабирующего усилителя и со входом цифрового индикатора, компаратор разряда аккумуляторной батареи, первый вход которого соединен с источником второго опорного напряжения, а выход соединен со вторым входом индикатора порогового уровня, аккумуляторную батарею, первый, второй и третий выходы которой соединены соответственно с входами преобразователя и стабилизатора напряжений и вторым входом компаратора разряда аккумуляторной батареи [2]. Недостатками устройства-прототипа, так же как и устройства аналога, являются невысокая точность измерения и сложность настройки и обслуживания из-за наличия большого количества регулировочных элементов.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, - повышение точности измерения, упрощение процедуры настройки и калибровки прибора.

Это достигается тем, что в сигнализаторе метана, содержащем мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены активный термокаталитический и компенсационный элементы датчика метана, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, аккумуляторную батарею и индикатор порогового уровня, дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь, аналоговый коммутатор и арифметико-логическое и запоминающее устройства, при этом выход цифроаналогового преобразователя соединен со входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен со входом мостовой измерительной схемы и первым входом аналогового коммутатора, выход мостовой измерительной схемы и аккумуляторная батарея соединены соответственно со вторым и третьим входами аналогового коммутатора, выход аналогового коммутатора соединен со входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом арифметико-логического устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно со входом цифроаналогового преобразователя, входом индикатора порогового уровня, четвертым входом аналогового коммутатора и входом запоминающего устройства, а второй вход арифметико-логического устройства соединен с выходом запоминающего устройства.

Повышение точности измерения и упрощение настройки по отношению к устройству-прототипу достигается за счет выполнения АЦП другой функции - цифровой обработки сигнала. Это позволило исключить в сигнализаторе метана масштабирующий усилитель, компараторы превышения порогового уровня метана и разряда аккумуляторной батареи, требующие многочисленных элементов регулировки.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на чертеже.

Сигнализатор метана содержит мостовую измерительную схему 1, аналоговый коммутатор 2, первый, второй, третий и четвертый входы которого соединены соответственно с выходом усилителя постоянного тока 3, с выходом мостовой измерительной схемы 1, с выходом аккумуляторной батареи 4 и с первым выходом арифметико-логического устройства (АЛУ) 5, АЦП 6, соединенный с выходом аналогового коммутатора 2 и с первым входом АЛУ 5, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 7, соединенный с входом усилителя постоянного тока 3 и со вторым выходом АЛУ 5, запоминающее устройство 8, соединенное со вторым входом и четвертым выходом АЛУ 5, и индикатор порогового уровня 9, соединенный с третьим выходом АЛУ 5.

Сигнализатор метана работает следующим образом. После включения напряжения питания производится установка рабочего напряжения на мостовой измерительной схеме 1. Для этого при помощи АЛУ 5 выставляется на ЦАПе 7 код, соответствующий его минимальному выходному напряжению. Затем через аналоговый коммутатор 2 напряжение с выхода усилителя постоянного тока 3 подается на вход АЦП 6. Если напряжение на входе мостовой измерительной схемы 1 оказывается ниже номинального значения, то с помощью ЦАП 7 производят увеличение напряжения. Так продолжают до тех пор, пока напряжение на входе мостовой измерительной схемы 1 не достигнет номинального (рабочего) значения. Такой способ установки рабочего напряжения мостовой измерительной схемы позволил исключить источники опорного напряжения и регулировочные элементы.

При появлении метана в анализируемой газовой смеси происходит его каталитическое окисление на поверхности рабочего чувствительного элемента, что приводит к повышению температуры и увеличению сопротивления чувствительного элемента. При этом появляется сигнал разбаланса в мостовой измерительной схеме 1, значение которого пропорционально содержанию метана в анализируемом воздухе. Сигнал с выхода мостовой измерительной схемы 1 через аналоговый коммутатор 2 поступает на вход АЦП 6. Значение сигнала, измеренное с выхода мостовой измерительной схемы 1, сравнивают со значением сигнала, соответствующим порогу срабатывания сигнализации, которое имеется в запоминающем устройстве 8 (получено при калибровке сигнализатора). Если сигнал с мостовой измерительной схемы 1 превышает значение сигнала, соответствующее пороговому уровню метана, то АЛУ 5 выдает предупреждающий сигнал на индикатор порогового уровня 9.

При контроле напряжения аккумуляторной батареи 4 она через аналоговый коммутатор 2 подключается на вход АЦП 6. Если напряжение на аккумуляторной батарее 4 оказывается ниже допустимого значения, то АЛУ 6 снимает напряжение с мостовой измерительной схемы 1 (с целью снижения потребляемой мощности и предотвращения глубокого разряда батареи) и выдает на индикатор порогового уровня 9 сигнал, свидетельствующий о разряде аккумуляторной батареи.

Калибровка сигнализатора метана осуществляется следующим образом. Датчик помещают в метановоздушную смесь с объемной долей метана, соответствующей порогу срабатывания сигнализации. Затем при помощи АЛУ 5 через аналоговый коммутатор 2 подключают на вход АЦП 6 сигнал с мостовой измерительной схемы 1. Измеренное напряжение с выхода мостовой измерительной схемы 1, соответствующее порогу срабатывания сигнализации, заносят в запоминающее устройство 8, где оно сохраняется при отключении аккумуляторной батареи 4. Настройка относительно порогового уровня срабатывания сигнализации происходит автоматически и дополнительная ручная регулировка не требуется.

Заявленное устройство реализовано на базе микроконтроллера PIC 14000 фирмы Microchip, который содержит в себе восьмиразрядный ЦАП, аналоговый коммутатор на восемь аналоговых входов, 16-разрядный АЦП, арифметико-логическое устройство, память программ и память данных.

В качестве энергонезависимого запоминающего устройства в сигнализаторе метана применено электрически программируемое устройство типа EEPROM с последовательным интерфейсом.

Источники информации, использованные при составлении описания изобретения: 1. Карпов Е. Ф., Биренберг И.Э., Басовский Б.И. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. М.: Недра, 1984, С.94-98 2. Там же, С. 101-109 - прототипн

Формула изобретения

Сигнализатор метана, содержащий мостовую измерительную схему, в два плеча которой включены активный термокаталитический и компенсационный элементы датчика метана, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, аккумуляторную батарею и индикатор порогового уровня метана, отличающийся тем, что в него дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь, аналоговый коммутатор и арифметико-логическое и запоминающее устройства, при этом выход цифроаналогового преобразователя соединен с входом усилителя постоянного тока, выход усилителя постоянного тока соединен с входом мостовой измерительной схемы и первым входом аналогового коммутатора, выход мостовой измерительной схемы и аккумуляторная батарея соединены соответственно со вторым и третьим входами аналогового коммутатора, выход аналогового коммутатора соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с первым входом арифметико-логического устройства, первый, второй, третий и четвертый выходы которого соединены соответственно с входом цифроаналогового преобразователя, входом индикатора порогового уровня, четвертым входом аналогового коммутатора и входом запоминающего устройства, а второй вход арифметико-логического устройства соединен с выходом запоминающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1