Устройство для контроля концентрации опасных газов

Изобретение предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов (метана - СН4, кислорода - O2 и угарного газа - СО) в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности. Устройство для контроля концентрации опасных газов содержит датчики метана СН4 1, угарного газа СО 2 и кислорода О2 3, усилитель 4 сигналов, аналоговый коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь 6, микро-ЭВМ 7, запоминающее устройство 8, информационное табло 9, устройство 10 тревожной сигнализации, интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером, устройство 12 управления, часы 13, блок 14 питания, обмотки реле 15, 16 и 17, мультивибратор 18, обмотку 19 реле мультивибратора 18, передатчик 20, задающий генератор 21, генератор 22 модулирующего кода, фазовый манипулятор 23, телеграфный ключ 24, усилитель 25 мощности и передающую антенну 26. Дистанционный пункт контроля содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, блок перестройки, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель сигналов фазовой манипуляции, анализаторы спектра, удвоитель фазы, блок сравнения, пороговый блок, линию задержки, ключ, звуковой сигнализатор, делитель фазы на два, узкополосный фильтр, фазовый детектор, блок регистрации, стабилизатор фазы опорного напряжения, частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель. Изобретение обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности определения идентификационного номера помещения, здания, где произошла утечка опасных газов, путем устранения явления «обратной работы» второго типа. 3 ил.

 

Предлагаемое устройство относится к средствам контроля атмосферы и предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов (метана - СН4, кислорода - О2 и угарного газа - СО) в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности.

Известны устройства для контроля концентрации опасных газов (авт. свид. СССР №№1.500.797, 1.744.625; патенты РФ №№2.013.565, 2.096.776, 2.131.601, 2.161.785, 2.171.468, 2.190.113, 2.209.410, 2.253.108, 2.411.511; патенты СГА №№4.028.057, 4.476.096, 5.798.945, 5.831.146, 6.229.449, 6.600.424, 6.741.174, 6.856.253, 6.856.253, 6.940.410; патенты Германии №4.412.447 и другие).

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для контроля концентрации опасных газов» (патент РФ №2.411.511, G01N 27/12, 2010), которое и выбрано в качестве прототипа.

Известное устройство обеспечивает возможность своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности в жилых, коммунальных и производственных помещениях путем передачи тревожной информации в службу газовой безопасности в случае, если произойдет превышение установленного значения ПДК для метана СН4 и угарного газа СО или снижение содержания предельного значения для кислорода O2.

На дистанционном пункте контроля для выделения модулирующего кода M(t), который является идентификационным номером помещения, здания, где произошла утечка опасных газов, используется фазовый детектор 44, необходимым условием работы которого является наличие опорного напряжения, имеющего постоянную начальную фазу и частоту, равную промежуточной частоте принимаемого ФМн-сигнала.

В известном устройстве опорное напряжение выделяется непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала промежуточной частоты. Однако данной процедуре присуще явление «обратной работы», которое может быть двух типов.

Первый тип «обратной работы» обусловлен неопределенностью начальной фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из принимаемого ФМн-сигнала промежуточной частоты. При равновероятных значениях переменной составляющей фазы сигнала ϕk(t)={О, π} отсутствует признак, который позволил бы «привязать» начальную фазу ϕпр опорного напряжения к одной из фаз сигнала. Поэтому фаза опорного напряжения всегда имеет два устойчивых состояния (фиг. 3, з) и ϕпр+π (фиг. 3, к). Это легко показать аналитически.

На выходе делителя 42 фазы на два образуется гармоническое напряжение

.

Если произвести деление, аналогичное предыдущему, но предварительно добавив к аргументу угол 2π, что не изменяет исходного напряжения, то после деления на два получится напряжение, сдвинутое по фазе на π (фиг. 3, к)

.

Следовательно, двузначность фазы полученного гармонического напряжения вытекает из самого процесса деления. Физически указанная двузначность фазы объясняется неустойчивой работой делителя 42 фазы на два. Таким образом, даже имея в точке приема опорное напряжение u3(t) с постоянной фазой и частотой, равной промежуточной частоте принимаемого ФМн-сигнала, можно выделить аналог либо исходной модулирующей функции M1(t) (фиг. 3, и), либо инверсной (обратной) модулирующей функции M2(t) (фиг. 3, л) в зависимости от того, как будут сфазированы входной ФМн-сигнал (фиг. 3, б) и опорное напряжение (фиг. 3, з, к).

Однако, анализируя аналог модулирующей функции M(t) (фиг. 3, а), выделяемой из принимаемого ФМн-сигнала промежуточной частоты (фиг. 3, б) в прямом M1(t) (фиг. 3, и) или обратном M2(t) (фиг. 3, л), коде, можно достоверно определить ее параметры (закон фазовой манипуляции, длительность τэ и количество N элементарных посылок), т.е. идентификационный номер помещения, здания, где произошла утечка опасных газов. При этом не принципиально, в прямом или обратном коде анализируется аналог модулирующей функции. Необходимо, чтобы было обеспечено постоянство фазы опорного напряжения, а следовательно, и аналога модулирующей функции в течение всего времени приема и анализа. Именно такая ситуация возникает в реальных условиях приема, когда отсутствуют априорные сведения о параметрах принимаемого ФМн-сигнала. Поэтому в процессе когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигналов нет необходимости раскрывать неопределенность фазы опорного напряжения, которая является внутренним свойством данных сигналов.

Таким образом, первый тип «обратной работы» не снижает помехоустойчивости когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигналов промежуточной частоты и не влияет на достоверность определения их параметров.

Второй тип «обратной работы» обусловлен скачкообразными переходами фазы опорного напряжения из одного состояния ϕпр в другое ϕпр+π под действием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов. Эти переходы за время приема ФМн-сигнала происходят в случайные моменты времени, например, t1, t2 (фиг. 3,г). При этом на выходе фазового детектора 44 выделяется искаженный аналог модулирующей функции M1'(t) (фиг. 3, д). Данный тип «обратной работы» является весьма вредным в технике когерентного приема и синхронного детектирования ФМн-сигналов и делает невозможным достоверное определение вышеуказанных параметров, т.е. идентификационного номера помещения здания, где произошла утечка опасных газов.

Следует отметить, что именно из-за этого типа «обратной работы» классическая фазовая манипуляция долгое время не находила широкого применения, несмотря на ряд своих преимуществ.

В настоящее время существует несколько методов устранения «обратной работы» второго типа.

Можно применять, например, специальные испытательные посылки для подтверждения правильности установки начальной фазы в приемнике (Петрович Н.Т., Размахин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Сов. радио, 1980); можно также использовать специальные коды, обнаруживающие и исправляющие ошибки, вызванные «обратной работой» второго типа (Хоменюк Ю.В. Об устранении «обратной работы» в когерентном приемнике сигналов, манипулированных по фазе. Радиоэлектроника, №6, 1966). Однако указанные методы связаны с введением в сигнал некоторой избыточности, снижающей эффективность использования классической фазовой манипуляции.

«Обратная работа» второго типа была радикальным образом устранена, когда вместо обычной классической манипуляции Петровичем Н.Т. была предложена относительная фазовая манипуляция (ОФМн) (Петрович Н.Т. Передача дискретной информации в каналах с фазовой манипуляцией. - М.: Сов. Радио, 1965). Сущность данного метода заключается в том, что опорным напряжением для каждой элементарной посылки служит предыдущая посылка. Для этого на приемной стороне необходимы априорные сведения о длительности элементарных посылок. Практическая реализация фазовой манипуляции в системах ОФМн, кроме того, усложняет аппаратуру при одновременном снижении помехоустойчивости системы. Переход от ФМн к ОФМн связан с эквивалентным увеличением шумов в канале в два раза. При этом система ОФМн для своей реализации требует априорного знания длительности τэ элементарных посылок и имеет тенденцию к парному группированию ошибок, когда появление одной ошибки влечет за собой появление и второй. Следовательно, общая вероятность ошибок значительно увеличивается. Поэтому разработка методов и устройств, обеспечивающих устранение явления «обратной работы» второго типа в системах фазовой манипуляции, всегда была и остается весьма актуальной.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и достоверности определения идентификационного номера помещения, здания, где произошла утечка опасных газов, путем устранения явления «обратной работы» второго типа.

Поставленная задача решается тем, что устройство для контроля концентрации опасных газов, содержащее датчики метана, угарного газа и кислорода, каждый из которых выполнен в виде полупроводникового газового сенсора и посредством последовательно соединенных усилителя сигналов, аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя связан с микро-ЭВМ, выходы которой соединены соответственно с входом запоминающего устройства, информационного табло, устройства тревожной сигнализации, интерфейсного устройства с персональным компьютером и устройства управления, выходы которого соединены соответственно с входом аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, блок питания, к выходам которого подключены усилитель сигналов, аналоговый коммутатор, микро-ЭВМ, интерфейсное устройство с персональным компьютером, блок управления и часы, выход которых подключен к микро-ЭВМ, мультивибратор, передатчик, три обмотки реле, подключенные к соответствующим выходам микро-ЭВМ, и дистанционный пункт контроля, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, передатчик и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к блоку питания, замыкающей контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу передатчика, дистанционный пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены делитель фазы на два и узкополосный фильтр, к выходу порогового блока подключены звуковой сигнализатор и блок перестройки, отличается от ближайшего аналога тем, что дистанционный пункт контроля снабжен частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора.

Структурная схема устройства для контроля концентрации опасных газов представлена на фиг. 1. Структурная схема дистанционного пункта контроля изображена на фиг. 2. Временные диаграммы, поясняющие работу дистанционного пункта контроля, показаны на фиг. 3.

Устройство для контроля концентраций опасных газов содержит датчики метана СН4 1, угарного газа СО 2 и кислорода О2 3, каждый из которых выполнен в виде полупроводникового газового сенсора и посредством последовательно соединенных усилителя 4 сигналов, аналогового коммутатора 5 и аналого-цифрового преобразователя 6 связан с микро-ЭВМ 7, выходы которой соединены соответственно с входом запоминающего устройства 8, информационного табло 9, устройства 10 тревожной сигнализации, интерфейсного устройства 11 с персональным компьютером IBM-PC и устройства 12 управления, выходы которого соединены соответственно с входом аналогового коммутатора 5 и аналого-цифрового преобразователя 6, блок 14 питания, к выходам которого подключены усилитель 4 сигналов, аналоговый коммутатор 5, микро-ЭВМ 7, интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером, блок 12 управления и часы 13, выход которых подключен к микро-ЭВМ 7, обмотки реле 15, 16 и 17, подключенные к соответствующим выходам микро-ЭВМ 7, мультивибратор 18 и передатчик 20, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 21, фазового манипулятора 23, второй вход которого соединен с выходом генератора 22 модулирующего кода, телеграфного ключа 24, усилителя 25 мощности и передающей антенны 26. При этом передатчик 20 и мультивибратор 18 через замыкающий контакт 15.1 первого реле подключены к блоку 14 питания, содержащему сетевой адаптер, аккумуляторную батарею резервного питания и зарядное устройство. Замыкающий контакт 16.1 второго реле включен последовательно с резистором 27 в одно из плеч мультивибратора 18. Замыкающие контакты 17.1 и 19.1 третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу 24 передатчика 20.

Дистанционный пункт контроля расположен в службе газовой безопасности и выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 27, усилителя 28 высокой частоты, смесителя 31, второй вход которого через гетеродин 30 соединен с выходом блока 29 перестройки, усилителя 32 промежуточной частоты, удвоителя 35 фазы, второго анализатора 36 спектра, блока 37 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 34 спектра соединен с выходом усилителя 32 промежуточной частоты, порогового блока 38, второй вход которого через линию 39 задержки соединен с его выходом, ключа 40, второй вход которого соединен с выходом усилителя 32 промежуточной частоты, фазового детектора 44 и блока 45 регистрации, последовательно подключенных к выходу удвоителя 35 фазы делителя 42 фазы на два, узкополосного фильтра 43, частотного детектора 47, триггера 48 и двойного балансного переключателя 49, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра 43, а выход подключен к второму входу фазового детектора 44. Управляющий вход блока 29 перестройки и вход звукового сигнализатора 41 соединены с выходом порогового блока 38.

Анализаторы 34 и 36 спектра, удвоитель 35 фазы, блок 37 сравнения, пороговый блок 38 и линия 39 задержки образуют обнаружитель (селектор) 33 сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).

Частотный детектор 47, триггер 48 и двойной балансный переключатель 49 образуют стабилизатор 46 фазы опорного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

После включения напряжения питания производится запуск микро-ЭВМ 7. Через устройство 12 управления микро-ЭВМ 7 по введенной в нее программе последовательно включает циклы измерения с трех датчиков 1, 2 и 3. Измерительная информация с выходов датчиков метана СН4 1, угарного газа СО 2 и кислорода O2 3 через усилитель 4 сигналов и аналоговый коммутатор 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Полученный цифровой код поступает в микро-ЭВМ 7, где сравнивается с предельно допустимым кодом. При включенном режиме протоколирования через определенные отрезки времени, измеренные значения с временной отметкой от часов 13, записываются в запоминающее устройство 8. Применение запоминающего устройства 8 и часов 13 реального времени позволяют протоколировать через заданные промежутки времени значения измеренных параметров, что обеспечивает детальный анализ причин аварии.

В устройстве применены полупроводниковые детекторы газов, измеряющие в широком диапазоне концентрации газов, что позволяет использовать устройство не только в качестве устройства пороговой сигнализации, но и получать в любой момент времени значения измеренных параметров на информационном табло 9 или пересылать измерительную информацию в интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером (ПК). Применение полупроводниковых газовых сенсоров позволяет производить измерения в широком диапазоне температур и влажности окружающей среды с одинаковой погрешностью, что не требует температурной компенсации блока физических датчиков и усилителей. Возможность измерения параметров концентрации метана и кислорода позволяет анализировать соотношение их концентраций и предупреждать об образовании взрывоопасных смесей метана и кислорода в концентрациях, близких к соотношению 1:2 (СН42). Применение микро-ЭВМ 7 позволяет производить обработку измерительной информации, переходить в режим постоянных измерений и выводить информацию в аналоговый коммутатор 5, производить фиксацию результатов измерений в запоминающем устройстве 8 по заданным в микро-ЭВМ 7 программам, а также в случае аварийной ситуации.

Устройство содержит блок 10 тревожной сигнализации, срабатывание которого происходит в случаях:

- превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) по СН4 и O2 в контролируемом помещении;

- снижения ниже установленного предела концентрации O2.

После срабатывания тревожной сигнализации устройство производит постоянный контроль всех контролируемых параметров и переходит в режим постоянной передачи информации в ПК. В случае, если произойдет превышение установленного значения ПДК для метана СН4, микро-ЭВМ 7 включает тревожную сигнализацию и переходит в режим протоколирования и прямой передачи информации в интерфейсное устройство 11 с ПК. Запрос протокола измерений возможен из персонального компьютера ПК в любой момент времени.

Одновременно постоянное напряжение с соответствующего выхода микро-ЭВМ 7 поступает на первое реле 15. Последнее срабатывает и замыкает контакт 15.1, через который питание от блока 14 питания подается на мультивибратор 18 и передатчик 20.

После включения передатчика 20 задающим генератором 21 формируется высокочастотное колебание

где Uc, wc, ϕс, Тс - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,

которое поступает на первый вход фазового манипулятора 23. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 22 модулирующего кода, который является идентификационным номером помещения, здания, где произошла утечка опасных газов. В результате фазовой манипуляции на выходе фазового манипулятора 23 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн):

где ϕk(t)={О, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем ϕk(t)=const при Kτэ<t<(K+1)τэ и может изменяться скачком при t=Kτэ, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, … N-1); τэ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Тссэ⋅N).

Сформированный ФМн-сигнал u1(t) через телеграфный ключ 24 и усилитель 25 мощности поступает в антенну 26, излучается ею в эфир, улавливается приемной антенной 27 пункта контроля и через усилитель 28 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 31, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 30 линейно изменяющейся частоты

где - скорость изменения частоты гетеродина 30.

Следует отметить, что поиск ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется с помощью блока 29 перестройки, который периодически с периодом Тп по линейному закону изменяет частоту wг гетеродина 30. В качестве блока 29 перестройки может быть использован генератор пилообразного напряжения.

На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 32 выделяется напряжение промежуточной частоты

где ;

wпр=wc-wг - промежуточная частота;

ϕпрсг,

которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМн-ЛЧМ) на промежуточной частоте wпр и поступает на вход обнаружителя (селектора) ФМн-сигнала, состоящего из удвоителя 35 фазы, анализаторов 34 и 36 спектра, блока 37 сравнения, порогового блока 38 и линии 39 задержки.

На выходе удвоителя 35 фазы образуется гармоническое напряжение

где .

В качестве удвоителя 35 фазы может быть использован перемножитель, на два входа которого подается один и тот же сигнал uпр(t).

Так как 2ϕк(t)={О, 2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра Δf2 второй гармоники определяется длительностью Тс сигнала

,

тогда как ширина спектра Δfc входного ФМн-сигнала определяется длительностью τэ его элементарных посылок

,

т.е. ширина спектра Δf2 второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра Δfc входного ФМн-сигнала

Δfc/Δf2=N.

Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал среди других сигналов (помех) и шумов даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра Δfc входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 34 спектра, а ширина спектра Δf2 второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 36 спектра. Напряжения UI и UII, пропорциональные Δfc и Δf2 соответственно, с выходов анализаторов 34 и 36 спектра поступают на два входа блока 37 сравнения. Так как UI>>UII, то на выходе блока 37 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговое напряжение Uпор в пороговом блоке 38. Пороговое напряжение Uпор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи и шумы. При превышении порогового уровня Uпор в пороговом блоке 38 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 40, открывая его, на вход линии 39 задержки, на управляющий вход блока 29 перестройки, выключая его, и на вход звукового сигнализатора 41. Ключ 40 в исходном состоянии всегда закрыт.

При прекращении перестройки гетеродина 30 усилителем 32 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение (фиг. 3, б)

которое через открытый ключ 40 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 44.

На выходе удвоителя 35 фазы в этом случае образуется гармоническое напряжение (фиг. 3, в)

которое поступает на вход делителя 42 фазы на два. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение (фиг. 3, з)

которое выделяется узкополосным фильтром 43, используется в качестве опорного напряжения и через двойной балансный переключатель 49 подается на второй (опорный) вход фазового детектора 44. При этом двойной балансный переключатель 49 находится в первом положении, при котором опорное напряжение u3(t) поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 44 без изменения. Это соответствует случаю отсутствия явления «обратной работы» второго типа. На выходе частотного детектора 47 в этом случае напряжение отсутствует.

Если под действием помех, кратковременного прекращения приема и других дестабилизирующих факторов возникает явление «обратной работы» второго типа, то опорное напряжение u3ʺ(t) (фиг. 3, г), искаженное явлением «обратной работы», подается на вход частотного детектора 47, который предназначен для обнаружения момента возникновения «обратной работы» второго типа. При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения на +180°, например в момент t1 (фиг. 3, г) на выходе частотного детектора 47 появляется короткий положительный импульс, а при скачке фазы на (-180°) в момент времени t2 (возвращение фазы опорного напряжения в первоначальное состояние) - отрицательный короткий импульс (фиг. 3, е). Знакочередующиеся импульсы с выхода частотного детектора 47 управляют работой триггера 48, выходное напряжение которого (фиг. 3, ж), в свою очередь, управляет работой двойного балансного переключателя 49. В устойчивом состоянии, когда фаза опорного напряжения совпадает, например, с нулевой фазой принимаемого ФМн-сигнала, на выходе триггера 48 образуется отрицательное напряжение (фиг. 3, ж), и балансный переключатель 49 находится в своем первоначальном (первом) положении, при котором опорное напряжение поступает с выхода узкополосного фильтра 43 на второй (опорный) вход фазового детектора 44 через двойной балансный переключатель 49 без изменения.

При скачкообразном изменении фазы опорного напряжения (+180°), обусловленном, например, неустойчивой работой делителя 42 фазы на два под действием помех, триггер 48 положительным коротким импульсом с выхода частотного детектора переводится в другое (второе) устойчивое состояние. При этом выходное напряжение триггера 48 в момент времени t1 становится и остается положительным до очередного скачка фазы в момент времени t2 (фиг. 3, ж), который возвращает фазу опорного напряжения в первоначальное состояние. Положительное выходное напряжение триггера 48 переводит балансный переключатель 49 в другое (второе) устойчивое состояние, при котором опорное напряжение с выхода узкополосного фильтра 43 поступает на опорный вход фазового детектора 44 с изменением фазы на (-180°). Это позволяет устранить нестабильность фазы опорного напряжения, вызванную скачкообразным ее изменением под действием помех, и связанную с ней «обратную работу» второго типа. Следовательно, частотный детектор 47 обеспечивает обнаружение момента возникновения «обратной работы» второго типа, а триггер 48 и двойной балансный переключатель 49 устраняют ее. Частотный детектор 47, триггер 48 и двойной балансный переключатель 49 образуют стабилизатор 46 фазы опорного напряжения.

Опорное напряжение u3(t) со стабильной фазой (фиг. 3, з) поступает на опорный вход фазового детектора 44, на выходе которого выделяется низкочастотное напряжение (фиг. 3, и)

где ,

пропорциональное модулирующему коду M(t) (фиг. 3, а). Это напряжение фиксируется блоком 45 регистрации. Данное напряжение содержит в цифровом виде данные о месте и времени утечки опасных газов.

Для повышения достоверности приема и регистрации сложного ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 20 с. Это обеспечивается работой мультивибратора 18 в несимметричном режиме. Контакт 19.1 реле 19 мультивибратора 18 периодически через равные промежутки времени, например, 20 с, замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20, который и посылает в пространство ФМн-сигнал через тот же интервал времени. При этом звуковой сигнализатор 41 подает звуковые сигналы с интервалом в 20 с, что свидетельствует об утечке метана СН4 с грифом «ОПАСНО».

Время задержки τз линии 39 задержки выбирается таким, чтобы можно было неоднократно принимать и фиксировать ФМн-сигнал на определенной частоте. При этом несущая частота также является идентификационным признаком. Передатчики, установленные в различных помещениях и зданиях, имеют свои несущие частоты в заданном диапазоне частот Df. Периодический просмотр заданного диапазона частот Df обеспечивает обнаружение несущих частот передатчиками, установленными в помещениях, где произошла утечка опасных газов.

По истечении времени τз напряжение с выхода линии 39 задержки поступает на вход сброса порогового блока 38 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом звуковой сигнализатор 41 прекращает свою работу, ключ 49 закрывается, а блок 29 перестройки включается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. Устройство готово к дальнейшей работе.

При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте работа устройства осуществляется аналогичным образом.

В случае, если произойдет превышение значения ПДК для метана СН4 и угарного газа СО, то постоянные напряжения поступают на первое 15 и второе 16 реле, которые срабатывают. Контакт 16.1 второго реле 16 замыкается, включает в схему мультивибратора 18 резистор 27 и переводит его работу в симметричный режим. Реле 19 мультивибратора 18 срабатывает через равные интервалы времени, например в 5 с, и его контакт 19.1 замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20 через тот же интервал времени в 5 с. Это соответствует степени утечки газов «ОЧЕНЬ ОПАСНО».

В случае, если будут наблюдаться превышение установленного ПДК для метана СН4 и угарного газа СО и снижение содержания ниже предельного для кислорода O2, т.е. когда образуется взрывоопасная смесь метана и кислорода в концентрациях, близких к соотношению 1:2 (СН4:O2), то срабатывают все три реле 15, 16 и 17. Контакт 17.1 третьего реле 17 замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20 накоротко. При этом передатчик 20 посылает в пространство непрерывный ФМн-сигнал значительной длительности, а звуковой сигнализатор воспроизводит непрерывный звуковой сигнал, характеризуя возникшую ситуацию как «ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНО».

Устройство может работать в следующих режимах:

1. Дежурном, в котором совершаются непрерывное измерение величин контролируемых параметров и сравнение их с пороговыми значениями ПДК.

2. Режиме протоколирования: через заданные промежутки времени производится запись в энергонезависимую память устройства измеренного значения величин контролируемых параметров.

3. Режиме считывания информации: информация передается из запоминающего устройства на интерфейс компьютера.

4. Аварийном режиме. В аварийном режиме при превышении ПДК срабатывает тревожная сигнализация, и устройство переходит в режим дистанционной передачи тревожной информации на пункт контроля, размещенный в службе газовой безопасности.

Блок питания устройства содержит резервный аккумулятор, что позволяет питать устройство длительное время при отключении внешнего питания. Калибровка прибора осуществляется в контрольной базовой камере.

Устройство может быть реализовано промышленным путем на базе известных элементов и блоков, на выпускаемых серийно комплектующих, таких как полупроводниковые газовые сенсоры фирмы ЗАО «Авангард -Микосенсор».

Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом и другими техническими решениями аналогичного назначения позволяет повысить помехоустойчивость и достоверность определения идентификационного номера помещения, здания, где произошла утечка опасных газов. Это достигается стабилизацией фазы опорного напряжения, выделяемого непосредственно из самого принимаемого ФМн-сигнала, и устранения явления «обратной работы» второго типа. Причем частотный детектор обнаруживает момент возникновения явления «обратной работы» второго типа, а триггер и двойной балансный переключатель устраняют его. Все это позволяет своевременно принять эффективные меры, обеспечивающие снижение загазованности в жилых, коммунальных и производственных помещениях, путем достоверной передачи тревожной информации в службу газовой безопасности в случаях, если произойдет превышение установленного значения ПДК для метана СН4 и угарного газа СО или снижение содержания ниже предельного значения кислорода O2.

Устройство для контроля концентрации опасных газов, содержащее датчики метана, угарного газа и кислорода, каждый из которых выполнен в виде полупроводникового газового сенсора и посредством последовательно соединенных усилителя сигналов, аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя связан с микро-ЭВМ, выходы которой соединены соответственно с входом запоминающего устройства, информационного табло, устройства тревожной сигнализации, интерфейсного устройства с персональным компьютером и устройства управления, выходы которого соединены соответственно с входом аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, блок питания, к выходам которого подключены усилитель сигналов, аналоговый коммутатор, микро-ЭВМ, интерфейсное устройство с персональным компьютером, блок управления и часы, выход которых подключен к микро-ЭВМ, мультивибратор, передатчик, три обмотки реле, подключенные к соответствующим выходам микро-ЭВМ, и дистанционный пункт контроля, причем передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, передатчик и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к блоку питания, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу передатчика, дистанционный пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены делитель фазы на два и узкополосный фильтр, к выходу порогового блока подключены звуковой сигнализатор и блок перестройки, отличающееся тем, что дистанционный пункт контроля снабжен частотным детектором, триггером и двойным балансным переключателем, причем к выходу узкополосного фильтра последовательно подключены частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель, второй вход которого соединен с выходом узкополосного фильтра, а выход подключен к второму входу фазового детектора.



 

Похожие патенты:

Описана интегральная схема (100), содержащая подложку (110); изолирующий слой (120) на упомянутой подложке; а также первый нанопроводниковый элемент (140a) и второй нанопроводниковый элемент (140b), смежный с упомянутым первым нанопроводниковым элементом на упомянутом изолирующем слое; в которой первый нанопроводниковый элемент расположен так, чтобы он подвергался воздействию среды, содержащей интересующий аналит, и в которой второй нанопроводниковый элемент защищен от упомянутой среды защитным слоем (150) на упомянутом втором нанопроводниковом элементе.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей оксида углерода и .

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота.

Группа изобретений относится к области биохимии. Предложено устройство и способ для обнаружения целевых биомолекул с использованием вышеуказанного устройства.

Изобретение относится к изготовлению подложки из оксидного стекла для определения содержания паров воды в воздушной среде. На поверхность подложки путем ее подъема в горизонтальном положении с постоянной скоростью, варьируемой от 4⋅10-5 до 9⋅10-5 м/с, из водного раствора взаимодействующих компонентов: полимера, такого как поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорид (ПДМПХ), и модификатора – гексацианоферрата(II) калия наносят пленку поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианида (ПДМПЦ).

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания 1, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора состава (CdSe)0,85(CdTe)0,15 и подложки, которой служит электродная площадка 2 пьезокварцевого резонатора 3.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания (1), выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (GaAs)0,75 (ZnSe)0,25, и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3).

Изобретение относится к способу формирования пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде на поверхности подложек из оксидных стекол. Технический результат – увеличение электрической проводимости, повышение чувствительности к содержанию паров воды в воздушной среде и улучшение микротвердости, однородности.

Изобретение относится к способу изготовления газовых датчиков и применяется для получения газочувствительного материала, который выполнен на основе диоксида титана, нанесенного на сапфировую подложку, и предназначен для регистрации содержания микропримесей оксида углерода и кислорода.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания довзрывных концентраций метана в атмосферном воздухе, и может быть использовано в угольной, металлургической, коксохимической и атомной промышленности, а также в автомобильной промышленности.

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и изменения содержания аммиака. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки антимонида галлия (1), и подложки, которой служит электродная площадка (2) пьезокварцевого резонатора (3). Датчик согласно изобретению при существенном упрощении технологии его изготовления позволяет определять содержание аммиака с чувствительностью, в несколько раз превышающей чувствительность известных датчиков. 3 ил.

Изобретение относится к технологии получения высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системе In2O3-SnO2. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон включает совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, при этом в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов. Технический результат – повышение чувствительности сенсора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к технологии получения высокочувствительного резистивного газового сенсора на озон на основе оксидных пленок в системе In2O3-SnO2. Способ получения наноструктурированного газового сенсора на озон включает совместную кристаллизацию растворов солей или их соосаждение, при этом в качестве исходных реагентов используют растворы солей-прекурсоров (SnSO4, In(NO3)3*xH2O), получают оксидные порошки методом золь-гель совместной кристаллизации и соосаждения, после чего полученные порошки прокаливают при 120-400°С и обжигают при 650°С до получения твердого раствора на основе In2O3 с размером ОКР ~ 27-29 нм, затем приготавливают пасту со связующим на основе этилцеллюлозы [С6Н7O2(ОН)3-x(ОС2Н5)x]n и скипидара, причем в первой серии к навеске порошка добавляют 10 мас.% этилцеллюлозы и 5 мл скипидара, а для второй серии порошок смешивают с 30 мас.% этилцеллюлозы и 8 мл скипидара, затем после интенсивного перемешивания полученную пасту наносят на корундовые подложки трафаретной печатью, после чего образцы обжигают при 700°С в течение 5 часов на первом этапе и затем при 1100°С в течение 3 часов. Технический результат – повышение чувствительности сенсора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение может быть использовано в санитарно-эпидемиологическом контроле промышленных регионов. Устройство выполнено из набора контроллеров, разнесенных по площади исследуемого района, каждый контроллер содержит несколько разнотипных газовых датчиков с электронной схемой в составе стабилизатора напряжения, стабилизатора тока подогрева, мостовой схемы, в одно из плеч которой включен датчик, измерительная диагональ мостовой схемы, посредством канального коммутатора, поочередно подключается на вход измерительного тракта из последовательно соединенных операционного усилителя, аналогово-цифрового преобразователя, буферного запоминающего устройства, схемы сравнения, соединенного с программируемой схемой выборки измерений, синхронизирующей работу элементов посредством закладки в нее телекоммуникационной программы от ПЭВМ в составе элементов: процессора, оперативного запоминающего устройства, винчестера, дисплея, принтера, клавиатуры. Изобретение обеспечивает оперативность, достоверность, точность измерений, наглядность формы представления экспресс-анализа. 5 ил.

Изобретение относится к устройствам и материалам для обнаружения и определения концентрации паров гидразина в атмосфере или пробе воздуха (химическим сенсорам) и может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, состоящий из структуры графен-полупроводниковые нанокристаллы в виде квантовых точек, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность полупроводниковых нанокристаллов пропорционально концентрации паров гидразина в пробе, при этом полупроводниковые нанокристаллы выполнены в виде полупроводниковых нанопластинок в развернутом состоянии. Технический результат – снижение порога чувствительности, расширение динамического диапазона определения концентрации паров гидразина и увеличение срока службы сенсора. 10 ил.

Изобретение относится к устройствам и материалам для обнаружения и определения концентрации паров гидразина в атмосфере или пробе воздуха (химическим сенсорам) и может быть использовано в медицине, биологии, экологии и различных отраслях промышленности. Электрический сенсор на пары гидразина содержит диэлектрическую подложку, на которой расположены электроды и чувствительный слой, меняющий фотопроводимость в результате адсорбции паров гидразина, состоящий из структуры графен-полупроводниковые нанокристаллы в виде квантовых точек, фотопроводимость которой уменьшается при адсорбции молекул гидразина на поверхность полупроводниковых нанокристаллов пропорционально концентрации паров гидразина в пробе, при этом полупроводниковые нанокристаллы выполнены в виде полупроводниковых нанопластинок в развернутом состоянии. Технический результат – снижение порога чувствительности, расширение динамического диапазона определения концентрации паров гидразина и увеличение срока службы сенсора. 10 ил.

Использование: для измерения степени влажности газовой среды. Сущность изобретения заключается в том, что датчик влажности содержит подложку из диэлектрического материала с осажденными на нее пленочными электродами и диэлектрической пленкой в промежутке между ними, электроды разнесены на подложке относительно друг друга с образованием промежутка 0,1-2,0 мм и выполнены путем термического осаждения в вакууме на подложку, выполненную из керамики, слоя пленок из алюминия для каждого из электродов, пленку последующего второго слоя из металла, выбранного из группы Al, Ti, Sn для одного из электродов и последующего второго слоя из Ag для другого электрода, а также нанесения на поверхность второго слоя каждого из электродов и в промежуток между электродами на поверхность керамической подложки подвергнутой после ее нанесения совместно со всеми слоями и керамической подложкой отжигу на воздухе при температуре 400°С в течение 10 мин пленки линейно-цепочечного углерода, полученной путем осаждения в вакууме графита, испаряемого импульсным дуговым разрядом с помощью плазмы, создаваемой дуговым разрядом вне области разрядного промежутка в виде компенсированных бестоковых форсгустков углеродной плазмы плотностью 5⋅1012-1⋅1013 см-3, длительностью 200-600 мкс, частотой следования 1-5 Гц, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно потоку углеродной плазмы.Технический результат: обеспечение возможности увеличения чувствительности, и диапазона определения влажности. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружения превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности. Устройство для контроля концентрации опасных газов содержит датчики метана СН4 1, угарного газа СО 2 и кислорода О2 3, усилитель 4 сигналов, аналоговый коммутатор 5, аналого-цифровой преобразователь 6, микро-ЭВМ 7, запоминающее устройство 8, информационное табло 9, устройство 10 тревожной сигнализации, интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером, устройство 12 управления, часы 13, блок 14 питания, обмотки реле 15, 16 и 17, мультивибратор 18, обмотку 19 реле мультивибратора 18, передатчик 20, задающий генератор 21, генератор 22 модулирующего кода, фазовый манипулятор 23, телеграфный ключ 24, усилитель 25 мощности и передающую антенну 26. Дистанционный пункт контроля содержит приемную антенну, усилитель высокой частоты, блок перестройки, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель сигналов фазовой манипуляции, анализаторы спектра, удвоитель фазы, блок сравнения, пороговый блок, линию задержки, ключ, звуковой сигнализатор, делитель фазы на два, узкополосный фильтр, фазовый детектор, блок регистрации, стабилизатор фазы опорного напряжения, частотный детектор, триггер и двойной балансный переключатель. Изобретение обеспечивает повышение помехоустойчивости и достоверности определения идентификационного номера помещения, здания, где произошла утечка опасных газов, путем устранения явления «обратной работы» второго типа. 3 ил.

Наверх