СИСТЕМА СИГНАЛИЗАЦИИ О ДОСТИЖЕНИИ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ
ALARM SYSTEM SIGNALLING MAXIMAL CONCENTRATION OF METHANE IN ATMOSPHERE

Предлагаемая система относится к средствам контроля рудничной атмосферы, а именно к системам и устройствам, сигнализирующим о достижении предельно допустимой концентрации метана в атмосфере.
Известны системы и устройства сигнализации о степени взрывоопасности газовоздушной смеси (авт. свид. СССР №№978171, 1500797, 1744625; патенты РФ №№2056631, 2091781, 2094794, 2096776, 2130178, 2131601, 2161823, 2171468; патенты США №№4028057, 4134818, 4193069, 4476096, 5104513; патенты Великобритании №№1378291, 2288873; Карпов Е.Ф. и др. Автоматическая газовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984, с.101-109 и другие).
Из известных систем и устройств наиболее близким к предлагаемой системе является «Сигнализатор метана» (патент РФ №2131601, G01N 27/16, 1998), который и выбран в качестве базового объекта.
Известный сигнализатор метана содержит мостовую измерительную схему, усилитель постоянного тока, аналого-цифровой преобразователь, арифметико-логическое устройство, запоминающее устройство и аккумуляторную батарею.
Известное устройство формирует предупреждающий сигнал об аварийной и взрывоопасной ситуации при достижении предельно допустимой концентрации метана в атмосфере, но не обеспечивает передачи тревожной информации на диспетчерский пункт для принятия соответствующих мер, что снижает безопасность шахтеров.
Технической задачей изобретения является повышение безопасности шахтеров путем оперативной передачи тревожной информации на диспетчерский пункт для принятия соответствующих мер.
Поставленная задача решается тем, что система сигнализации о достижении предельно допустимой концентрации метана в атмосфере, включающая, в соответствии с ближайшим аналогом, сигнализатор метана, содержащий последовательно включенные мостовую схему, в два плеча которой включены активный термокаталитический и компенсационный элементы датчика метана, аналоговый коммутатор, второй вход которого соединен с выходом аккумуляторной батареи, а третий - с третьим выходом арифметико-логического устройства, аналого-цифровой преобразователь, арифметико-логическое устройство, второй вход которого через запоминающее устройство соединен с его вторым выходом, и индикатор порогового уровня метана, при этом к четвертому выходу арифметико-логического устройства последовательно подключены цифроаналоговый преобразователь и усилитель постоянного тока, выход которого соединен со входом мостовой измерительной схемы и с четвертым входом аналогового коммутатора, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена ключом, считывателем, идентификационными метками, установленными с соответствующим шагом на потолке штрека, ретрансляторами, установленными в штреке на расстоянии прямой радиовидимости друг от друга, и диспетчерским пунктом, причем выход аккумуляторной батареи через ключ, второй вход которого соединен с первым выходом арифметико-логического устройства, подключен к считывателю, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, дуплексера, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, первого усилителя мощности, фазового детектора, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, линии задержки, сумматора, второй вход которого соединен с выходом генератора псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора и второго усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера, к выходу задающего генератора последовательно подключены перемножитель, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, и узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора, сигнализатор метана и считыватель размещены на подвижном объекте с возможностью перемещения по штреку, каждая идентификационная метка выполнена в виде пьезокристалла с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем, связанным с микрополосковой антенной, и набором отражателей, встречно-штыревой преобразователь содержит две гребенчатые системы электродов, электроды каждой из гребенок соединены друг с другом шинами, связанными с микрополосковой антенной, диспетчерский пункт выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока поиска, 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 первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два и второй узкополосный фильтр, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора, управляющий вход блока поиска соединен с выходом порогового блока, один из ретрансляторов и диспетчерский пункт установлены у выхода и входа в шахту соответственно.
Схематическое изображение одного из штреков шахты показано на фиг.1, где введены следующие обозначения: 26 - штрек шахты, 27 - проход в шахту (шурф), 23 - подвижный объект, 24.i - идентификационные метки, размещенные на потолке штрека, 25.j - ретрансляторы, установленные в штреке 26 на расстоянии прямой радиовидимости друг от друга. У входа и выхода шахты установлены диспетчерский пункт 32 и 25.m ретранслятор (i=1, 2, …, n, j=1, 2, …, m).
Структурная схема сигнализатора метана 23.1 и считывателя 23.2, установленных на подвижном объекте 23, представлена на фиг.2. Функциональная схема идентификационной метки изображена на фиг.3. Структурная схема диспетчерского пункта представлена на фиг.4.
Сигнализатор 23.1 метана содержит последовательно включенные мостовую измерительную схему 1, в два плеча которой включены активный термокаталический и компенсационный элементы датчика метана, аналоговый коммутатор 2, второй вход которого соединен с выходом аккумуляторной батареи 4, а третий - с третьим выходом арифметико-логического устройства 5, аналого-цифровой преобразователь 6, арифметико-логическое устройство 5, второй вход которого через запоминающее устройство 8 соединен с его вторым выходом, индикатор 9 порогового уровня метана, при этом к четвертому выходу арифметико-логического устройства 5 последовательно подключены цифроаналоговый преобразователь 7 и усилитель 3 постоянного тока, выход которого соединен со входом мостовой измерительной схемы 1 и с четвертым входом аналогового коммутатора 2. Выход аккумуляторной батареи 4 через ключ 10, второй вход которой соединен с первым выходом арифметико-логического устройства 5, подключен к считывателю 23.2, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 11, дуплексера 12, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 13, первого усилителя 14 мощности, фазового детектора 15, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 11, линии задержки 16, сумматора 18, второй вход которого соединен с выходом генератора 17 псевдослучайной последовательности, фазового манипулятора 21 и второго усилителя 22 мощности, выход которого соединен со вторым входом дуплексера 12. К выходу задающего генератора 11 последовательно подключены перемножитель 19, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 11, и узкополосный фильтр 20, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора 21.
Сигнализатор 23.1 метана и считыватель 23.2 размещены на подвижном объекте 23.
Идентификационная метка 24.i (i=1, 2, …, n) выполнена в виде пьезокристалла 25.i с нанесенным на его поверхность алюминиевым тонкопленочным встречно-штыревым преобразователем (ВШП), связанным с микрополосковой антенной 26.i и набором отражателей 30.i. ВШП поверхностных акустических волн (ПАВ) содержит две гребенчатые системы электродов 27.i, шины 28.i и 29.i, которые соединяют электроды каждой из гребенок между собой. Шины 28.i и 29.i, в свою очередь, связаны с микрополосковой антенной 26.i.
Диспетчерский пункт 32 выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 31, усилителя 33 высокой частоты, смесителя 36, второй вход которого через гетеродин 35 соединен с выходом блока 34 поиска, усилителя 37 промежуточной частоты, удвоителя 40 фазы, второго анализатора 41 спектра, блока 42 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 39 спектра соединен с выходом усилителя 37 промежуточной частоты, порогового блока 43, второй вход которого через линию 44 задержки соединен с его выходом, ключа 45, второй вход которого соединен с выходом усилителя 37 промежуточной частоты, фазового детектора 49 и блока 50 регистрации. К выходу удвоителя 40 фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр 46, делитель 47 фазы на два и второй узкополосный фильтр 48, выход которого соединен со вторым входом фазового детектора 49. Анализаторы 39 и 41 спектра, удвоитель 39 фазы, блок 42 сравнения, пороговый блок 43 и линия задержки 44 образуют обнаружитель (селектор) 38 ФМн-сигналов. Диспетчерский пункт 32 устанавливается у входа в шахту. А один из ретрансляторов, например 25.m, у выхода из шахты (штрека).
Предлагаемая система работает следующим образом.
Составляется план штреков шахты, замеряются расстояния по этому плану между идентификационными метками 24.i (i=1, 2, …, n), которые должны служить отметками координат, и размещаются с соответствующим шагом на потолке штрека (фиг.1). Сигнализатор 23.1 метана и считыватель 23.1 размещаются на подвижном объекте 23, который имеет возможность передвигается по штреку шахты. В качестве подвижного объекта могут использоваться вагонетка, тележка, робот и т.п. В штреке 26 шахты размещаются также ретрансляторы 25.j (j=1, 2, …, m) на расстоянии прямой радиовидимости друг от друга.
После включения напряжения питания производится установка рабочего напряжения на мостовой измерительной схеме 1. Для этого при помощи арифметико-логического устройства 5 выставляется на цифроаналоговом преобразователе 7 код, соответствующий его минимальному выходному напряжению. Затем через аналоговый коммутатор 2 напряжение с выхода усилителя 3 постоянного тока подается на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Если напряжение на входе мостовой измерительной схемы 1 оказывается ниже номинального значения, то с помощью цифроаналогового преобразователя 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 1 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 аналого-цифрового преобразователя 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 арифметико-логическое устройство 5 выдает предупреждающий сигнал на индикатор 9 порогового уровня.
Этот же сигнал поступает на управляющий вход ключа 10, открывая его. В исходном состоянии ключ 10 всегда закрыт. При этом напряжение питания аккумуляторной батареи 4 через открытый ключ 10 поступает на считыватель 23.2.
При этом задающим генератором 11 считывателя 23.2 формируется высокочастотное колебание
1
1
1
1
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤T,
1
1
1
которое через дуплексер 12 поступает в антенну 13, излучается ею в эфир и облучает ближайшую идентификационную метку 24.i (i=1, 2, …, n). Высокочастотное гармоническое колебание u(t) на частоте w улавливается микрополосковой антенной 26.i, настроенной на частоту w, преобразуется встречно-штыревым преобразователем в акустическую волну, которая распространяется по поверхности пьезокристалла 25.i, отражается от набора отражателей 30.i и опять преобразуется в сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМН)
2
2
1
к1
1
1
u(t)=U·Cos[wt+(φ(t)+φ], 0≤t≤T,
к1
1
к1
Э
э
э
где φ(t)={0, π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), отображающим координаты идентификационной метки, причем φ(t)=const при Kτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
1
1
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=N·τ).
1
При этом внутренняя структура сформированного сложного ФМн-сигнала определяется топологией встречно-штыревого преобразователя, имеет индивидуальный характер и содержит информацию о местоположении идентификационной метки на потолке штрека. В качестве примера на фиг.3 показан фрагмент кода M(t).
1
Сформированный сложный ФМн-сигнал излучается микрополосковой антенной 26. i в эфир, улавливается приемопередающей антенной 13 и через дуплексер 12 и усилитель 14 мощности поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 15, на второй (опорный) вход которого подается высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 11 в качестве опорного напряжения. На выходе фазового детектора 15 образуется низкочастотное напряжение
н1
н1
к1
1
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
н1
1
2
где U=½U·U;
1
пропорциональное модулирующему коду M(t).
3
1
1
2
2
∑
1
2
1
2
1
Это напряжение поступает на вход линии задержки 16, где задерживается на время τ, равное длительности τ модулирующего кода M(t), и поступает на первый вход сумматора 18. На второй вход последнего подается код M(t) подвижного объекта 23 (вагонетка, тележка, робот и т.п.) с выхода генератора 17 псевдослучайной последовательности (ПСП) длительностью τ. На выходе сумматора 18 образуется суммарный модулирующий код M(t)=M(t)+M(t), длительностью τ=τ+τ. Модулирующий суммарный код M(t) поступает на первый вход фазового манипулятора 21.
1
Высокочастотное колебание u(t) с выхода задающего генератора 11 одновременно поступает на два входа перемножителя 19, на выходе которого образуется напряжение
3
3
2
2
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
3
1
2
где U=½U ;
2
1
2
1
w=2w; φ=2φ.
Это напряжение подается на второй вход фазового манипулятора 21, на выходе которого формируется сложный ФМн-сигнал
4
4
2
к2
2
1
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
который через усилитель 22 мощности и дуплексер 12 поступает в приемопередающую антенну 13, излучается ею в эфир, последовательно переизлучается ретрансляторами 25.j (j=1, 2, …, m), улавливается приемной антенной 31 диспетчерского пункта 32, установленного на поверхности Земли, в непосредственной близости от входа шахты, и через усилитель 33 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 36, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 35 линейно-изменяющей частоты
г
г
г
г
п
2
u(t)=U·Cos(wt+πγt+φ), 0≤t≤Т,
где  - скорость изменения частоты гетеродина;
п
Т - период перестройки.
f
п
Следует отметить, что просмотр заданного диапазона частотой D осуществляется с помощью блока 34 поиска, который периодически с периодом Т по пилообразному закону перестраивает частоту гетеродина 35.
На выходе смесителя 36 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 37 выделяется напряжение промежуточной частоты
up
up
up
к2
uр
1
2
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)-πγt+φ], 0≤t≤Т,
up
4
г
где U=½U·U;
up
c
г
w=w-w - промежуточная частота;
uр
с
г
φ=φ-φ,
которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазовой манипуляцией и линейной частотной модуляцией (ФМн-ЛЧМ).
up
Напряжение u(t) с выхода усилителя 37 промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя 38, состоящего из удвоителя 40 фазы, анализаторов спектра 39 и 41, блока 42 сравнения, порогового блока 43 и линии 44 задержки.
На выходе удвоителя 39 фазы образуется напряжение
5
5
up
uр
1
2
u(t)=U·Cos(2wt-2πγt+2φ), 0≤t≤T,
5
пp
2
где U=½U ,
в котором манипуляция фазы уже отсутствует.
2
1
Ширина спектра Δf второй гармоники сигнала определяется длительностью Т сигнала
,
тогда как ширина спектра входного ФМн-сигнала определяется длительностью его элементарных посылок
,
т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра входного сигнала
.
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала на два его ширина спектра «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.
c
2
I
II
c
2
I
II
пор
пop
пop
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 39 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала - с помощью анализатора 41 спектра. Напряжения U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 39 и 41 спектра поступают на два входа блока 42 сравнения. Так как U>>U, то на выходе блока 42 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень U в пороговом блоке 43. Пороговое напряжение U выбирается таким, чтобы его превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 43 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 45, открывая его. В исходном состоянии ключ 45 всегда закрыт. Постоянное напряжение с выхода порогового блока 43 одновременно поступает на управляющий вход блока 34 поиска, останавливая его, и на вход линии 44 задержки. При прекращении перестройки гетеродина 35 усилителем 37 выделяется следующее напряжение
up1
up
up
к2
uр
1
U(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
которое через открытый ключ 45 поступает на первый вход фазового детектора 49. На выходе удвоителя 40 фазы в этом случае образуется следующее напряжение
6
5
up
up
1
u(t)=U·Cos(2wt+2φ), 0≤t≤Т,
которое выделяется узкополосным фильтром 46 и поступает на вход делителя 47 фазы на два, на выходе которого образуется напряжение
7
5
up
uр
1
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
которое выделяется узкополосным фильтром 48 и поступает на второй (опорный) вход фазового детектора 49. На выходе фазового детектора 49 образуется низкочастотное напряжение
н2
н2
к2
u(t)=U·Соsφ(t),
н2
up
5
где U=½U·U,
∑
3
пропорциональное суммарному модулирующему коду M(t). Это напряжение фиксируется блоком 50 регистрации. Время задержки τ линии задержки 44 выбирается таким образом, чтобы можно было отселектировать и зафиксировать обнаруженный ФМн-сигнал.
По окончании этого времени напряжение с выхода порогового блока 43 поступает на вход сброса и сбрасывает его содержимое на нулевой уровень. При этом ключ 45 закрывается, а блок 34 поиска включается, т.е. они возвращаются в свои исходные состояния.
При обнаружении очередного ФМн-сигнала на другой частоте, например, с другого штрека, работа диспетчерского пункта 32 происходит аналогичным образом.
Таким образом, предлагаемая система по сравнению с прототипом и другими техническими решениями обеспечивает повышение безопасности шахтеров. Это достигается оперативной передачей тревожной информации на диспетчерский пункт для принятия соответствующих мер. Для этого используются сложные сигнала с фазовой манипуляцией, подвижные объекты, идентификационные метки и ретрансляторы.
Основной особенностью идентификационных ПАВ-меток являются малые габариты, большой срок службы и отсутствие источников питания.
Сложные ФМн-сигналы обладают энергетической и структурной скрытностью.
Энергетическая скрытность ФМн-сигналов обусловлена их высокой сжимаемостью во времени и по спектру при оптимальной обработки, что позволяет снизить мгновенную излучаемую мощность. Вследствие этого сложный ФМн-сигнал в точке приема может оказаться замаскирован шумами и помехами. Причем энергия ФМн-сигнала отнюдь не мала, она просто распределена по частотно-временной области так, что в каждой точке этой области мощность сигнала меньше мощности шумов и помех.
Структурная скрытность сложных ФМн-сигналов обусловлена большим разнообразием их форм и значительными диапазонами изменения значений параметров, что затрудняет оптимальную или хотя бы квазиоптимальную обработку сложных ФМн-сигналов априорно неизвестной структуры с целью повышения чувствительности приемного устройства.
Сложные ФМн-сигналы открывают большие возможности в технике передачи сообщений из штреков шахты на диспетчерский пункт. Они позволяют применять структурную селекцию. Это значит, что появляется возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.