АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПРОТЕЧЕК ВОДЫ, УТЕЧЕК ПРИРОДНОГО ГАЗА И ПРЕВЫШЕНИЯ НОРМ ПРОДУКТОВ ЕГО СГОРАНИЯ В ПОМЕЩЕНИЯХ

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель предназначена для повышения безопасности помещений с  водоснабжением и газоснабжением путем автоматического прекращения подачи водоснабжения и (или) газоснабжения при протечках воды,  и (или) утечках природного газа, и (или) появлении в воздухе повышенных концентраций продуктов сгорания природного газа в помещениях  с выдачей индивидуального и дистанционного оповещения.
В частности, полезная модель может найти применение в жилых или производственных помещениях с  водоснабжением и газоснабжением, предотвращая катастрофические последствия прорыва трубопроводов, а также для предотвращения катастрофических ситуаций при эксплуатации газоиспользующего оборудования, таких как значительные утечки природного газа, пожары, задымления, появление недопустимых концентраций угарного газа и других продуктов сгорания природного газа.
Уровень техники
Жилые и нежилые помещения очень часто снабжены трубопроводными коммуникациями, такими, как водопроводы и газопроводы для снабжения природным (бытовым) газом. На территории РФ и в других странах в таких помещениях постоянно происходят утечки природного газа, приводящие к серьезным взрывам и пожарам. От них гибнут люди, получают травмы и увечья, многие лишаются единственного жилья. При неправильной эксплуатации газоиспользующего оборудования в воздухе помещений могут появиться опасные для жизни концентрации продуктов сгорания природного газа, например таких, как угарный газ, что приводит отравлению и гибели людей. Вместе с этим, из-за аварий систем водоснабжения и соответствующей бытовой  техники жилые помещения регулярно подвергаются заливам водой, приводящим к существенным  материальным и нематериальным ущербам. Своевременное прекращение подачи природного газа и воды в помещение может предотвратить развитие утечек природного газа и протечек воды в катастрофическую ситуацию. В случае появления дыма в помещении, часто являющегося признаком начинающегося пожара, необходимо срочное прекращение подачи природного газа для устранения наиболее вероятных причин возгорания на начальной стадии возникновения пожара и значительного снижения его тяжести.
Широко используемая трубопроводная запорная арматура с возможностью электрического управления (такая, как шаровые четвертьоборотные краны с манипуляторами электрическими шарового крана, краны с электроприводами) может быть установлена как на трубопроводы газоснабжения, так и на трубопроводы водоснабжения. Однако, если при аварии управление трубопроводной запорной арматурой идентично как при протечках воды, так и при утечках газа (необходимо как можно быстрее перекрыть подачу газа или воды в помещение), то в других ситуациях (например, при профилактике) сценарии управления трубопроводной запорной арматурой различны при газоснабжении и при водоснабжении. Это необходимо учитывать при разработке систем программного управления (контроллеров) трубопроводной запорной арматурой.
В настоящее время известен широкий перечень устройств, позволяющих не только сигнализировать, но и автоматически предотвращать катастрофические ситуации при эксплуатации систем газо- и водоснабжения.
Известна автоматизированная система контроля протечек воды и прорывов пара (Патент РФ N 2684771 E03C 1/00 , F24D 19/10, F17D 5/02, опубл. 12.04.2019), которая содержит влагочувствительные датчики, размещенные в местах возможных протечек воды, аппарат управления, электрически связанный с влагочувствительными датчиками, и блок питания. Аппарат управления включает в себя программируемое реле и исполнительные реле или группу исполнительных реле. Влагочувствительные датчики выполнены на основе гидросенсорного кабеля и независимо друг от друга подключены к входу программируемого реле аппарата управления через один или два устройства ввода сигнала с возможностью объединения датчиков попарно. Выходы программируемого реле подключены к исполнительным реле или группе исполнительных реле, контакты которых электрически связаны с цепями управления технологическим оборудованием.
К достоинствам данной системы следует отнести уменьшение количества ложных срабатываний датчиков к протечкам воды и прорывам пара, так как появление сигнала о протечке происходит только тогда, когда сигнал поступает сразу от двух влагочувствительных датчиков. Это одновременно и приводит к снижению чувствительности системы в целом. К недостаткам системы также следует отнести возможность к ликвидации только протечек воды и прорывов пара, так как используемые гидросенсорные датчики чувствительны только к воде в разных агрегатных состояниях.
Известна система обнаружения протечек воды и отключения ее подачи в помещение (Патент РФ N 2307898 E03C 1/00, F24D 19/10, опубл. 10.10.2007), которая содержит электромагнитные запорные клапаны, установленные на водоразборных трубопроводах подачи холодной и/или горячей воды, влагочувствительные датчики, размещенные в местах возможных протечек воды, аппарат управления, электрически связанный как с электромагнитными клапанами, так и с влагочувствительными датчиками, и блок питания, входом связанный с источником электроэнергии 220 В, при этом аппарат управления включает в себя блок коммутации и блок индикации, влагочувствительные датчики подключены к входу блока коммутации, первый выход которого связан с входом блока индикации, а второй его выход соединен с электромагнитными клапанами, причем блок питания подключен к блоку индикации и к входам влагочувствительных датчиков, которые соединены между собой параллельно.
К достоинствам данной системы следует отнести упрощение системы, которая обеспечивается тем, что аппарат управления включает в себя только два блока, а именно блок коммутации и блок индикации, при этом влагочувствительные датчики подключены к входу блока коммутации, первый выход которого связан с входом блока индикации, а второй его выход соединен с электромагнитными клапанами, причем блок питания подключен к блоку индикации и к входам влагочувствительных датчиков, которые соединены между собой параллельно. Упрощает систему и то, что влагочувствительные датчики выполнены в виде пластиковой призмы с контактами из токопроводящего материала.
К недостаткам системы следует отнести возможность к ликвидации только протечек воды и нечувствительность системы к утечкам природного газа.
Известно устройство дистанционного мониторинга работы газового оборудования и утечек бытового газа в многоквартирных домах (Патент РФ N 2486595 G08B 17/10, опубл. 27.06.2013), которое содержит газовые приборы, счетчики расхода газа, датчики загазованности, объемного потока воздуха, кислорода, масштабирующие и дифференциальные усилители, компараторы, цифроаналоговые преобразователи, задатчики минимального значения объемного потока воздуха, задатчик величины допустимого разбаланса, сумматор расхода газа, блоки временной задержки, клапаны отсечки подачи газа, элементы «ИЛИ», модем сотовой связи и квартирные радиомодемы с набором информационных входов и выходов. Устройство позволяет дистанционно проводить анализ работы газового оборудования и определять утечки газа.
К достоинствам данного устройства следует отнести повышение безопасности использования природного газа в многоквартирных домах путем непрерывного дистанционного мониторинга балансов газовых потоков, утечек и продуктов сгорания с автоматическим или дистанционным прекращением подачи газа в случае возникновения недопустимых нарушений в работе газового оборудования. К недостаткам устройства следует отнести недостаточную функциональность за счет отсутствия возможности использования беспроводных датчиков газа, дыма и продуктов их сгорания, а также неспособность системы предотвращать катастрофические последствия при протечке воды.
Известна система контроля расхода и утечек бытового газа в многоквартирных домах (Патент РФ N 2414003 G08B 17/10, G08B 25/00 опубл. 10.03.2011), которая содержит квартирные датчики загазованности, квартирные счетчики расхода газа с импульсным выходом, квартирный клапан отсечки подачи газа, логические элементы «ИЛИ», квартирный блок сравнения уровня загазованности с допустимым значением, квартирный источник опорного напряжения уровня допустимой загазованности, квартирный счетчик импульсов, квартирный преобразователь частоты импульсов в аналоговый сигнал, подъездный датчик загазованности, подъездный счетчик расхода газа с импульсным выходом, подъездный клапан отсечки подачи газа, подъездный блок сравнения уровня загазованности с допустимым значением, подъездный источник опорного напряжения уровня допустимой загазованности, подъездный счетчик импульсов, подъездный преобразователь частоты импульсов в аналоговый сигнал, сумматор общей загазованности подъезда, блок сравнения уровня суммарной загазованности с допустимым значением, источник опорного напряжения уровня суммарной загазованности, сумматор дисбаланса, блок выделения модуля дисбаланса, блок оценки текущего дисбаланса расхода газа в подъезде, источник опорного напряжения уровня допустимого дисбаланса, модем сотовой связи, квартирный блок сигнализации, квартирный световой сигнализатор, квартирный звуковой сигнализатор, генераторы, ключи, линии задержки, подъездный блок сигнализации, подъездный световой сигнализатор, подъездный звуковой сигнализатор, домовой генератор, сумматор, задающий генератор, фазовый манипулятор, усилитель  мощности и передающую антенну. Панорамный приемник содержит приемную антенну, усилитель  высокой частоты, блок  поиска, гетеродин, смеситель, усилитель промежуточной частоты, обнаружитель ФМ-сигналов, анализаторы и спектра, удвоитель фазы, блок сравнения, пороговый блок, линию задержки, ключ, узкополосные фильтры, делитель фазы на два, фазовый детектор, блок регистрации и анализа.
К достоинствам данной системы следует отнести использование световой и звуковой сигнализации как в отдельных квартирах, так и в подъездах в целом, а также повышение надежности и достоверности передачи тревожной информации в оперативную диспетчерскую службу путем использования радиоканала и сложных сигналов с фазовой манипуляцией.
К недостаткам системы следует отнести возможность ликвидации только утечек природного газа и нечувствительность системы к протечкам воды.
Известна система обеспечения безопасности многоквартирного дома от утечек бытового газа (Патент РФ N 2704537 G08B 17/00, G08B 17/10, опубл. 29.10.2019), которая содержит щит управления системы обеспечения безопасности, подключенный к общедомовой электрической сети посредством кабелей, датчики газа и радиомодемы, установленные в квартирах, на чердаке, в подъезде и в подвале многоквартирного дома, и датчики газа и радиомодемы объединены в терминальные устройства и выполнены в едином корпусе, терминальные устройства объединены в единую коммуникационную сеть на базе технологии IoT и соединены со щитом управления системы обеспечения безопасности.
К достоинствам данной системы следует отнести  простоту установки, т.к. не требуется прокладка дополнительных питающих и сигнальных проводов; для передачи сигнала используются современные специализированные системы передачи данных для устройств телеметрии с низкими объемами трафика, обеспечивающие гибкое управление энергопотреблением устройств, большую емкость сети; наличие силовых элементов системы позволяет осуществлять автономный режим работы, совмещая функции мониторинга, контроля, реагирования и утилизации газа в рамках одной автоматизированной системы.
К недостаткам системы следует отнести возможность ликвидации только утечек природного газа и нечувствительность системы к протечкам воды.
Наиболее близким к описываемому является устройство оповещения и предотвращения утечек газа с компенсацией температуры и влажности (Патент РФ на полезную модель N 205700  G08B 17/10, опубл. 29.07.2021), содержащее: устройство управления, металлооксидный датчик газов, транзисторный ключ, блок питания, датчик температуры, датчик влажности, светозвуковой оповещатель, приемопередатчик, модуль управления газозапорной арматурой.
К недостаткам системы следует отнести возможность ликвидации только утечек природного газа и нечувствительность системы к протечкам воды.
Раскрытие сущности полезной модели
Задачей полезной модели является повышение безопасности помещений с трубопроводным водоснабжением и газоснабжением.
Технический результат состоит в снижении вероятности развития утечек природного газа, продуктов горения и протечек воды в катастрофическую ситуацию (таких, как взрыв природного газа, пожар, отравление природным газом и продуктами его сгорания, затопления помещений водой) при эксплуатации помещений с трубопроводным водоснабжением и газоснабжением.
Сущность полезной модели состоит в том, что в устройство, содержащее устройство управления, металлооксидный датчик газов, транзисторный ключ, блок питания с источником бесперебойного питания, датчик температуры, датчик влажности, светозвуковой оповещатель, приемопередатчик, модуль управления запорной арматурой, при этом блок питания обеспечивает подачу напряжения питания на активные электронные устройства, измерительный выход металлооксидного датчика газа подключен к аналоговому входу устройства управления, а нагревательный вход металлооксидного датчика газа подключен к выходу транзисторного ключа, а устройство управления обеспечивает регистрацию показателей датчика влажности и датчика температуры, а также формирование широтно-импульсной модуляции для транзисторного ключа с заданным коэффициентом модуляции, при этом устройство управления обеспечивает управляющее воздействие на модуль управления запорной арматурой, активацию светозвукового оповещения, удаленного оповещения пользователя посредством активации приемопередатчика, который по радиоканалу подключен к интернет-модулю для удаленной связи с пользователем через Интернет, дополнительно введены два выходных канала у модуля управления запорной арматурой, к которым подключены запорная арматура 1 и запорная арматура N, датчики протечки воды проводные, которые параллельно по проводам подключены к цифровому входу устройства управления, таймер, подключенный по шинам ввода-вывода к устройству управления, клавиатура, подключенная к входу устройства управления, запоминающее устройство, подключенное по шинам ввода-вывода к устройству управления, датчики протечки воды беспроводные, соединенные радиоканалом с приемопередатчиком, датчики газовые и противопожарные беспроводные, соединенные радиоканалом с приемопередатчиком.
Аппаратно-программный комплекс включает в себя: датчики протечки воды проводные ДПВП (1), таймер (2), клавиатуру (3), запоминающее устройство ЗУ (4), датчик влажности воздуха ДВ (5), металлооксидный датчик газов МОД (6), устройство управления УУ (7), датчик температуры ДТ (8), транзисторный ключ ТК (9), приемопередатчик ПП (10), датчики протечки воды беспроводные ДПВБ (11), датчики газовые (датчик углеводородного газа беспроводной, датчик угарного газа беспроводной) и противопожарные беспроводные (датчики дыма) ДГПБ (12), блок питания БП (13), светозвуковой оповещатель (индикацию) СЗО (14), модуль управления запорной арматурой МУА (15), запорная арматура 1 ЗА1 (16), запорная арматура N ЗАN (17), источник бесперебойного питания  ИБП(18), интернет-модуль ИМ (19).
Блок питания обеспечивает подачу напряжения питания на активные электронные устройства комплекса. Источник бесперебойного питания содержит аккумулятор и служит для обеспечения электропитания комплекса при сбоях сетевого питания. Измерительный выход металлооксидного датчика газа МОД подключен к аналоговому входу устройства управления УУ, а вход нагревательного элемента подключен к выходу транзисторного ключа ТК. Таким образом, при подаче широтно-импульсной модуляции (ШИМ) устройством управления на транзисторный ключ обеспечивается регуляция температуры нагревательного элемента в зависимости от коэффициента модуляции ШИМ. Устройство управления УУ обеспечивает регистрацию показателей датчика влажности ДВ, датчика температуры ДТ, а также формирование ШИМ модуляции для транзисторного ключа ТК с заданным коэффициентом модуляции. Такая техника работы увеличивает надежность металлооксидных датчиков и повышает точность их показаний.
Также к устройству управления УУ к отдельному цифровому входу параллельно подключены датчики протечки воды проводные ДПВП. Таким образом, при регистрации проводными датчиками протечки воды, устройство управления УУ получит сигнал на своем соответствующем входе.
Кроме того, устройство управления УУ обеспечивает управляющие воздействия на модуль управления запорной арматурой МУА, посылая команды на открытие и закрытие одной из запорной арматур ЗА1 или ЗАN, которые играют роль исполнительных механизмов. В данной структурной схеме приведены только два канала для исполнительных механизмов ЗА1 и ЗАN, потому что подразумевается, что одна запорная арматура управляет газоснабжением, а другая - водоснабжением, т.е. содержит функционал контроля газоснабжения или водоснабжения соответственно. Однако конечное количество каналов ограничено только конструктивным исполнением комплекса, кроме того, однотипные по функционалу запорные арматуры могут подключаться к одному каналу параллельно (например, для контроля холодной и горячей воды, или нескольких стояков воды в помещении). Тип функционала конкретного исполнительного механизма ЗА1 и ЗАN (контроль газоснабжения или водоснабжения) хранится в запоминающем устройстве ЗУ и может быть настроен на этапе конфигурирования комплекса с помощью клавиатуры. Также в запоминающем устройстве ЗУ хранится информация о текущем состоянии исполнительного механизма («открыто», «закрыто»).
Свето-звуковой оповещатель управляется устройством управления УУ и выполняет роль локального средства вывода информации при конфигурировании комплекса и роль оповещателя при наступлении аварийных ситуаций, таких как протечка воды или утечка газа.
Приемо-передатчик ПП предназначен для передачи управляющих сигналов от УУ в радиосеть, а также для приема радиосигналов от интернет-модуля ИМ, сети беспроводных датчиков утечки газа и противопожарных датчиков ДГПБ или протечки воды ДПВБ, и передачи этих сигналов в УУ.
Конструктивно беспроводные датчики утечки газа, дыма или протечки воды выполнены так, что при наступлении определенного события (утечки газа или протечки воды в зависимости от типа датчика) в эфир передается уникальный код датчика. Код датчика, с которым работает комплекс, его тип задаются на этапе конфигурирования комплекса путем принудительного срабатывания датчика (для этого на датчике есть специальные кнопки или контакты, которые надо замкнуть) при определенной нажатой кнопке клавиатуры. Код датчика, его тип сохраняются в запоминающем устройстве ЗУ и эта информация используется устройством управления УУ для решения о необходимых действиях (какие из запорных устройств закрывать ЗА1 или ЗАN) при наступлении утечки газа (пожаре, задымлении, превышении концентрации угарного газа) или протечки воды.
Аналогично настраивается реакция комплекса на управляющие коды от интернет-модуля ИМ, что приводит к возможности удаленно управлять газо- и водоснабжением помещения.
Таким образом, УУ, получив сигнал срабатывания беспроводного датчика, производит его идентификацию либо как датчика закрытия водозапорной арматуры, либо как датчика закрытия газозапорной арматуры. Какой тип запорной арматуры ЗА1 или ЗАN отвечает за газоснабжение, а какой за водоснабжение УУ определяет по данным из запоминающего устройства ЗУ. Данный подход значительно улучшает функциональность системы и надежность защиты помещений, позволяя использовать широкий спектр датчиков, различных по функциональному назначению, но работающих по одному беспроводному протоколу.
Также информация об утечке газа в УУ может прийти от металлооксидного датчика МОД, а информация о протечках воды от проводных датчиков протечки воды ДПВП. Тип проводного датчика определяется по соответствующему входу УУ, к которому он подключен.  Проводные датчики по сравнению с беспроводными датчиками имеют и недостатки и преимущества. Основной недостаток - это к проводным датчикам надо прокладывать провода по помещению. Основные преимущества - проводные датчики проще в конструкции и, как правило, существенно менее энергоемкие, чем беспроводные датчики.
Одной из проблем, влияющих на надежность функционирования запорной арматуры, контролирующих водоснабжение, является явление «закисания» кранов, т.е. когда на движущихся частях крана в водной среде откладываются твердые соли, препятствующие процессу закрытия нормально открытых кранов. Одним из самых простых и эффективных методов борьбы против этого эффекта является профилактика кранов, т.е. единичные повторения процесса закрытия и открытия арматуры с частотой хотя бы раз в несколько недель. Газозапорная арматура менее подвержена этому негативному эффекту. Кроме того, существует газовая аппаратура с постоянно горящими свечами поджига, которая требует бесперебойного газоснабжения и перекрытие газоснабжения даже на короткий промежуток раз в несколько недель для нее недопустимо и может привести к утечкам газа. Для проведения профилактики запорной арматуры водоснабжения используется таймер, при переполнении которого устройство управления УУ сбрасывает его, затем по данным запоминающего устройства ЗУ определяет канал подключения запорной арматуры для водоснабжения и с помощью модуля управления запорной арматурой МУА в соответствующем канале выполняет последовательность операций «закрыть»-«открыть», если в этом канале запорная арматура находится в положении «открыто». Если подключенная запорная арматура в определенном канале имеет установленный в ЗУ тип «газоснабжение», то автоматическая профилактика в таком канале не проводится.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена структурная схема комплекса.
Осуществление полезной модели
Аппаратно-программный комплекс состоит из корпуса с размещенной в нем печатной платой. При этом устройство управления УУ может быть реализовано на микроконтроллере ATMEGA168P или аналогичном с соответствующей программой, реализующей функции УУ. Также во всех микроконтроллерах семейства ATMEGA есть таймер, на базе которого можно разработать таймер комплекса, а также перепрограммируемая память EEPROM, на базе которой можно выполнить ЗУ комплекса. Клавиатура комплекса выполняется в виде тактовых кнопок и может быть подключена к портам ввода-вывода микроконтроллера. Выход датчика МОД подключается к микроконтроллеру на аналоговый вход, в качестве которого может быть выбран любой порт ввода-вывода общего назначения (GPIO). В качестве датчика МОД может использоваться промышленно выпускаемый металлооксидный датчик газов на основе диоксида олова, например, MQ2 или аналогичный. В качестве транзисторного ключа ТК может использоваться МОП транзистор, например, транзистор IRML2502. В качестве датчика температуры и датчика влажности может использоваться промышленно-выпускаемая микросборка HTU21D, представляющая собой интегральный датчик температуры и датчик влажности. Данная микросборка взаимодействует с микроконтроллером через интерфейс I2C. Приемопередатчик ПП реализуется в виде модулей 433МГц WL101-341, либо с использованием модулей ZIGBEE или ZWAVE. Интернет-модуль может быть выполнен на основе модулей 433МГц WL101-341, либо с использованием модулей ZIGBEE или ZWAVE в связке с WIFI модулем на базе микросхемы, подобной  ESP8266.
Модуль светозвукового оповещения может быть выполнен в виде микросборки BUZZER HYDZ для подачи звукового сигнала и светодиода, в качестве светового оповещения. Модуль управления запорной арматурой МУА может быть выполнен с помощью Н-моста на основе микросхемы L293D.
Запорная арматура ЗА1 и ЗАN может быть выполнена в виде шаровых четвертьоборотных кранов с манипуляторами электрическими шарового крана или кранов с электроприводами.
Датчики протечки воды проводные ДПВП могут быть выполнены в виде пластикового корпуса с двумя электродами на нижней поверхности и соединяться с цифровым портом ввода-вывода микроконтроллера через подтягивающий резистор.
Датчики протечки воды беспроводные ДПВБ могут быть выполнены в виде пластикового корпуса с двумя электродами на нижней поверхности со своим микроконтроллером с памятью для хранения уникального кода-идентификатора, батареей, и передатчиком 433МГц WL101-341, либо с использованием модулей ZIGBEE или ZWAVE для связи.
Датчики газовые и противопожарные беспроводные ДГПБ могут быть выполнены в виде пластикового корпуса со своим чувствительным элементом в виде датчика газа природного, датчика угарного газа, датчика дыма или пожара в зависимости от назначения,  со своим микроконтроллером с памятью для хранения уникального кода-идентификатора, блоком питания и передатчиком 433МГц WL101-341, либо с использованием модулей ZIGBEE или ZWAVE для связи.
В качестве блока питания БП может быть выбран стандартный блок питания с выходным напряжением 5 В и максимальным выходным током 2.1 А.
В качестве источника бесперебойного питания может служить литий-ионный аккумулятор со схемой заряда и разряда, обеспечивающих защиту аккумулятора от неблагоприятных режимов работы, таких как перезаряд, глубокий разряд, а также контроль токов заряда и разряда аккумулятора.