УСТРОЙСТВО ОПОВЕЩЕНИЯ И ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ УТЕЧЕК ГАЗА С КОМПЕНСАЦИЕЙ ТЕМПЕРАТУРЫ И ВЛАЖНОСТИ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к устройствам контроля параметров газовой среды и предназначена для определения наличия в воздухе среды обитания человека углеводородных газов с выдачей индивидуального и дистанционного оповещения при превышении уровня, а также для предотвращения утечки газа за счет управления стандартной газозапорной арматурой.
В частности, изобретение может найти применение:
- для контроля безопасности воздуха среды обитания человека;
- для предотвращения несчастных случаев при эксплуатации газоиспользующего оборудования в многоквартирных домах;
- для контроля безопасности воздуха в местах расположения газоиспользующего индивидуального отопительного оборудования в многоквартирных и индивидуальных домах;
- для контроля функционирования отопительных котлов и прочего газоиспользующего оборудования;
Уровень техники.
Ежегодно в России происходит большое количество несчастных случаев, связанных с использованием газового оборудования, предназначенного для отопления, нагрева воды и приготовления пищи. Это связано с тем, что эксплуатация газоиспользующего оборудования может привести к появлению в воздухе как углеводородного газа, поступающего к оборудованию, что чревато пожарами, отравлением и взрывами, так и к появлению ядовитых продуктов сгорания, например, угарного газа. Таким образом, создание портативного, надежного, доступного устройства с дистанционным оповещением владельца о появлении углеводородных газов и автоматическим закрытием газозапорной арматуры в случае утечки является актуальной и важной задачей.
В настоящее время известен широкий перечень устройств, позволяющих решать данную задачу. Как правило, газочувствительный элемент бытовых устройств выполняется в виде металл-оксидного полупроводникового датчика газов. Данные датчики имеют в своем составе газочувствительный слой, а также нагревательный элемент. При появлении в атмосфере детектируемого газа происходит изменение сопротивления газочувствительного слоя, и, как следствие, изменение напряжения на выходе датчика. Однако известно, что металл-оксидные датчики газов чувствительны к влажности воздуха. Кроме того, так как в качестве нагревательного элемента используется резистивная спираль, температура нагрева газочувствительного элемента зависит как от действующего напряжения на спирали, так и от температуры окружающего воздуха, что неизбежно приводит к искажению показателей датчика газов. Таким образом, контроль загазованности окружающего воздуха без коррекции показателей на изменение температуры и влажности в помещении снижает точность контроля и приводит к ложным срабатываниям системы оповещения при изменении температуры и (или) влажности в контролируемом помещении.
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 отсутствие контроля температуры и влажности в помещении при определении уровня газа, что неизбежно приводит к ложным срабатываниям сигнализации.
Известно устройство для определения концентрации горючих газов (Патент РФ №91762 МПК G01N 27/04, опубл. 27.02.2010), содержащее в себе узел питания, масштабирующий усилитель, аналого-цифровой преобразователь, средства цифровой обработки сигнала, средство управления исполнительными органами, подключенное к масштабирующему усилителю, и резистивный делитель напряжения (РДН), одно из плеч которого включает в себя активный чувствительный элемент, имеющий сопротивление, зависящее от концентрации горючего газа. К недостаткам данного устройства является то, что в нем отсутствует поправка на температуру и влажность воздуха. Таким образом, изменение влажности или температуры приведет к изменению сопротивления измерительного звена, что в свою очередь приведет к появлению напряжения на выходе датчика и к погрешности измерения концентрации газа.
Известно устройство для измерения концентрации газа (Патент US 7242309, МПК G08B 17/10, опубл. 07.10.2007), содержащее сенсорный блок, блок управления и коммуникации и блок питания. При этом каждое устройство включает в себя нагреватель для нагрева сенсора, микроконтроллер (для управления режимом включения-выключения нагревателя) и компаратор (для сравнения измеренного значения с пороговым). К недостаткам данного устройства относится то, что при дискретном измерении концентрации газа в данном устройстве производится коммутация нагревательного элемента датчика и регистрация показаний без поправки на температуру и влажность в помещении, что приводит к погрешностям в измерении уровня газов.
Наиболее близким к описываемому техническому решению является устройство, реализующее метод компенсации показателей металл-оксидных газовых датчиков (Патент US 6532792, МПК В2, опубл. 18.03.2003), в котором для коррекции концентрации газа используется вычисление показателя точки росы. К достоинствам данного изобретения следует отнести более высокую точность вычисления уровня газов в сравнении с аналогами. К недостаткам данного устройства относится тот факт, что авторы используют заранее вычисленную функциональную зависимость точки росы от температуры без регистрации показателя влажности окружающего воздуха в реальном масштабе времени. Кроме того, в данном устройстве отсутствует микропроцессорное управление нагревательным элементом, что при высокой температуре окружающей среды приводит к напрасному расходу электроэнергии, а также приводит к перегреву нагревательного элемента и снижению ресурса его эксплуатации.
Раскрытие сущности полезной модели.
Технической задачей полезной модели является регистрация уровня содержания бытового газа в атмосфере металл-оксидным датчиком с коррекцией его показаний в зависимости от температуры и влажности окружающей среды, а также регистрация факта превышения уровня углеводородных газов и устранение этого превышения путем закрытия газозапорной арматуры.
Технический результат состоит в увеличении надежности металл-оксидных датчиков, повышении точности их показаний, снижении их энергопотребления и повышении ресурса эксплуатации за счет интеллектуального управления температурой нагревательного элемента, а также за счет коррекции показаний датчика в зависимости от величины влажности воздуха.
Сущность изобретения состоит в том, что в полезную модель включается устройство управления, обеспечивающее регистрацию температуры и влажности в помещении в реальном масштабе времени, при этом температура окружающей среды используется для коррекции температуры нагревательного элемента, а влажность для - коррекции величины выходного напряжения металл-оксидного датчика газа.
Структурная схема устройства приведена на фиг. 1. Устройство включает в себя: металл-оксидный датчик газов МОД (1), устройство управления УУ (2), датчик влажности воздуха ДВ (3), датчик температуры ДТ (4), приемопередатчик ПП (5), транзисторный ключ ТК1 (6), блок питания БП (7), модуль управления газозапорной арматурой МУА (8), светозвуковой оповещатель СЗО (9). Блок питания обеспечивает подачу напряжения на следующие модули: устройство управления УУ, транзисторный ключ ТК1, модуль управления газозапорной арматурой МУА. Измерительный выход металл-оксидного датчика газа МОД подключен к аналоговому входу устройства управления УУ, а вход нагревательного элемента подключен к выходу транзисторного ключа ТК1. 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 обеспечивает регистрацию показателей датчика влажности ДВ, датчика температуры ДТ, а также формирование ШИМ модуляции для транзисторного ключа ТК1 с заданным коэффициентом модуляции. Кроме того, УУ обеспечивает управляющее воздействие на модуль управления газозапорной арматурой МУА, для ее закрытия при обнаружении превышения уровня углеводородных газов выше заданного уровня, активацию светозвукового оповещения, удаленного оповещения пользователя посредством активации приемопередатчика.
2
Для определения зависимости выходного напряжения МОД от температуры окружающей среды был проведен ряд экспериментов. Для исследования был выбран серийно производимый МОД датчик с промышленным названием MQ2. Выходное напряжение регистрировалось 10-битным аналого-цифровым преобразователем (АЦП) микроконтроллера, одновременно с регистрацией температуры окружающей среды. Полученные данные иллюстрируются на фиг. 2. Представленные данные свидетельствуют о том, что между выходным напряжением МОД и температурой окружающей среды имеется обратная линейная зависимость, аппроксимируемая с коэффициентом достоверности R=0.94 функцией 1:
где ΔТ - изменение температуры окружающей среды; ΔU - изменение напряжения на выходе сенсора. Таким образом, видно, что изменение температуры нагревательного элемента МОД приводит к изменению выходного напряжения МОД.
Чтобы определить требуемую величину коэффициента заполнения ШИМ для компенсации температуры окружающей среды, был произведен ряд экспериментов, в которых изменялась температура окружающей среды, измерялось отклонение выходного сигнала датчика, далее подбиралась такая величина ШИМ, чтобы обеспечить температурную компенсацию датчика. Результаты исследования, проведенные с использованием 20 датчиков MQ2 приводятся в Таблице 1.
исх
корр
2
Данные были получены при относительной влажности 30% и исходной температуре в помещении 20°С. Величина ДТ иллюстрирует изменение температуры, ΔU - среднюю величину изменения выходного напряжения сенсора, а также величину среднеквадратичного отклонения, столбец ШИМ% иллюстрирует необходимый коэффициент заполнения ШИМ (и соответствующую величину среднеквадратичного отклонения) для компенсации температурного изменения, ΔU, мВ - среднюю величину остаточного отклонения выходного напряжения сенсора после коррекции ШИМ. Полученные в результате экспериментов данные позволяют построить математическую модель с коэффициентом достоверности R=0,99 взаимосвязи изменения температуры окружающей среды и величины коэффициента заполнения ШИМ, требуемой для компенсации температурного изменения. Общий вид полученной математической модели иллюстрируется выражением 2.
где Кзш обозначает коэффициент заполнения ШИМ, ΔТ - отклонение температуры в помещении от стандартной (20 градусов Цельсия).
Таким образом, УУ получая информацию от ДТ производит вычисление коэффициента модуляции ШИМ в соответствии с выражением (2) и подачу модулирующего сигнала на ТК1, выход которого подключен к нагревательному элементу МОД. Таким образом, обеспечивается коррекция температуры нагревательного элемента МОД для компенсации температурного изменения внешней среды.
Проведенный обзор современных литературных источников показывает, что датчики на основе диоксида олова, кроме температурных режимов, также чувствительны к влажности в помещении. Для повышения точности МОД и снижения количества ложных срабатываний было проведено исследование, направленное на выявление изменения параметров выходного сигнала от влажности в помещении. Данное исследование было проведено с использованием МОД датчика MQ2 при окружающей температуре 20°С и относительной влажности 47%. В процессе экспериментальной работы производилось измерение влажности, выходного напряжения датчика, после чего влажность искусственно повышалась путем расположения датчика в герметичной емкости с внесением в нее пропитанной водой ватного тампона. По мере повышения влажности оба показателя (относительная влажность и выходной сигнал датчика) фиксировались до тех пор, пока влажность не поднимется до отметки свыше 90%. Полученные данные представлены на фиг. 3. Точки на фиг 3 иллюстрируют экспериментальные данные, пунктирная линия - результат интерполяции данных математической моделью вида (3)
где ΔU - величина коррекции напряжения сенсора, выраженная в милливольтах; М - относительная влажность воздуха в процентах.
Для повышения точности регистрации уровня углеводородных газов в помещении УУ производит считывание текущей влажности датчика ДВ, считывание текущего выходного напряжения датчика МОД и вычисление скорректированной величины выходного напряжения в соответствии с выражением (4):
корр
вых
где U - скорректированное значение выходного напряжения МОД датчика; ΔU - величина коррекции, вычисляемая в соответствии с выражением (3); U - выходное напряжение МОД датчика, регистрируемое УУ.
Проведенные исследования показывают, что использование выражения (4) для коррекции выходного напряжения МОД датчика позволяет полностью скомпенсировать вариацию влажности воздуха.
корр
Таким образом, используемое УУ производит непрерывную регистрацию температуры и влажности в помещении, регулировку температуры нагревательного элемента МОД с использованием выражения 2, коррекцию выходного напряжения с использованием выражения 4. При регистрации факта превышения выходного напряжения U свыше заранее заданного уровня УУ принимает решение об активации тревоги путем выдачи управляющего сигнала на модуль светозвукового оповещения СЗО, активации приемопередатчика ПП для удаленного оповещения и прекращения газоснабжения путем выдачи сигнала закрытия на модуль управления газозапорной арматуры МУА.
Краткое описание чертежей.
На фиг. 1 - структурная схема устройства.
На фиг. 2 - зависимость, между выходным напряжением МОД (Uвых) и температурой окружающей среды (Т).
На фиг. 3 - изменение уровня сигнала МОД датчика в зависимости от относительной влажности воздуха.
Осуществление полезной модели.
Устройство состоит из корпуса с размещенной в нем печатной платой. При этом устройство управления УУ может быть реализовано на микроконтроллере ATMEGA168P или аналогичном. 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 металл-оксидный датчик газов на основе диоксида олова, например, MQ2 или аналогичный. В качестве транзисторного ключа ТК1 может использоваться биполярный или полевой 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 качестве модуля GSM SIM800L, либо при помощи WIFI интерфейса, серийно выпускаемого в виде микросборки ESP8266, либо с использованием модулей ZIGBEE или ZWAVE. Модуль светозвукового оповещения может быть выполнен в виде микросборки BUZZER HYDZ для подачи звукового сигнала и светодиода, в качестве светового оповещения. Модуль управления газозапорной арматурой МУА может быть выполнен в виде транзисторного ключа на основе транзистора IRML2502 для организации подачи запирающего импульса на газозапорный электромагнитный клапан, либо с помощью Н-моста на основе микросхемы L293D для управления газозапорной арматурой с коллекторным двигателем. В качестве блока питания БП выбрано стандартное зарядное устройство мобильных телефонов с выходным напряжением 5 В и максимальным выходным током 2.1 А, которое подключается к устройству через стандартный разъем microUSB. Это позволяет в качестве блока питания использовать стандартное зарядное устройство мобильных телефонов, планшетов и смартфонов. Данный выбор позволяет отказаться от схемы стабилизации нагревательного элемента датчика газа и схемы стабилизации микроконтроллера, поскольку схема стабилизации содержится в зарядном устройстве. Микропроцессорный модуль управляет работой всего устройства по заложенному в него алгоритму, а именно:
1. Получить от датчика газа текущее значение выходного аналогового сигнала АО.
2. Произвести считывание значений текущей температуры (Т) и относительной влажности (М).
3. Установить значение коэффициента заполнения ШИМ, в соответствии с выражением (2).
4. Вычислить скорректированное значение выходного сигнала датчика Uвых в соответствии с выражением (4).
5. Если Uвых превышает пороговое значение, то выдать сигнал управления на модуль МУА, активировать светозвуковое оповещение и выдать оповещение через приемопередатчик.