БЫТОВОЙ СИГНАЛИЗАТОР МЕТАНА
HOME METHANE ALARM

Изобретение относится к термохимическим (термокаталитическим) сигнализаторам метана, предназначенным для контроля довзрывных концентраций метана в воздухе. Более узко изобретение ориентировано на использование его в конструкциях сигнализатора метана, предназначенного для контроля возможных утечек природного газа (метана) в газифицированных многоквартирных домах и коттеджах. В случае использования в качестве природного газа пропан-бутановых смесей сигнализатор также пригоден с соответствующей градуировкой на эти смеси.
Известен выпускаемый серийно ФГУП Смоленское производственное объединение «Аналитприбор» бытовой сигнализатор горючих газов СГТ10Б [1] (аналог), предназначенный для непрерывного контроля содержания довзрывоопасной концентрации горючих газов (метана или пропан-бутановой смеси) в воздухе промышленных и коммунально-бытовых помещений и выдачи сигнализации о превышении допустимых значений содержания горючих газов в атмосфере помещения, а также выдачи управляющего сигнала на электромагнитный клапан для аварийного отключения газа.
Принцип действия сигнализаторов - термохимический (каталитический) с использованием чувствительных элементов пелисторного типа. Питание от сети переменного тока, напряжением 220 В.
Комплект сигнализатора СГГ10Б состоит из блока датчика и блока питания. В комплект поставки входят соединительные кабели. Длина кабеля между блоком питания и блоком датчика 2,5 м, длина кабеля между блоком датчика и клапаном-отсекателем - 5 м. Электромагнитный клапан-отсекатель КЭТ-9720 в комплект поставки сигнализатора не входит и поставляется отдельно.
Подобные сигнализаторы горючих газов выпускаются рядом ведущих зарубежных фирм: MSA (США), Дрегер (Германия), Риккен-Кейки (Япония), Ольдам (Франция) и др.
Преимущество таких сигнализаторов в простоте конструкции и сравнительно низкой стоимости. Недостатки: большой расход кабельной продукции на соединения датчика с источником питания и блоками сигнализации, особенно при групповом контроле, например, в жилом многоквартирном доме, где количество точек контроля достигает нескольких сотен и кроме того требуются дополнительно телемеханические устройства для сбора информации и передачи ее на диспетчерский пульт.
Другим недостатком бытового сигнализатора горючих газов является нерешенность и отсюда не регламентированность способа подключения блока питания к сети переменного тока. В соответствии с требованиями нормативных документов Ростехнадзора электрические цепи датчика должны быть искробезопасными, а питание датчика должно осуществляться от источника питания, расположенного в атмосфере, где образование взрывоопасных концентраций горючего газа маловероятно, или питаться от источника питания во взрывобезопасном исполнении. В бытовых сигнализаторах горючего газа первое условие об искробезопасности электрических цепей датчика и взрывозащите чувствительных элементов решено, а второе условие - безопасного подключения блока питания к сети переменного тока - осталось открытым и никаких рекомендаций по этому поводу изготовители бытовых сигнализаторов не дают.
Еще одним недостатком бытового сигнализатора горючих газов является его неэнергосберегающий режим работы. Будучи постоянно включенным, хотя и потребляя всего порядка 5 Вт, его потребление в течение 1 года непрерывной работы составит 43,8 кВт ч.
4
3
8
В последнее время на российском рынке появились газосигнализаторы «АВУС-КОМБИ», выпускаемые Санкт-Петербургским ОАО «Авангард» [2], предназначенные для детектирования горючих газов в жилых помещениях. Тип сенсора - полупроводниковый, выпускаются два вида сигнализаторов: АВУС-КОМБИ-CH и АВУС-КОМБИ-CH. В комплект сигнализатора входят сенсор, устройство световой и звуковой сигнализации, клапан-отсекатель газопровода. Имеются две разновидности сигнализаторов: с проводной связью между элементами комплекта и с электросетью и комбинированной связью - часть составляющих комплекта связаны беспроводной связью (радиоканал), а другая часть проводной связью, для этой разновидности увеличивается число составляющих элементов. Вторая разновидность предусматривает использование нескольких сенсоров, обеспечивающих непрерывный контроль в разных местах помещения и передающих при появлении утечек команды управления по радиоканалу через радиорасширитель (дополнительное устройство) на блок исполнительный радиоканальный (еще одно дополнительное устройство), который по проводам передает команды для срабатывания газового запорного клапана, включения светозвуковой сигнализации и вентилятора.
Недостатки: 1) Как и у сигнализатора горючих газов СГТ10Б - большой расход кабельной продукции. Беспроводный вариант сигнализатора, только частично избавляется от проводных соединений и остается привязанным к электросети; 2) Хотя потребление электроэнергии снижено вдвое (до 2,5 Вт), но все равно это не энергосберегающий режим;
3) Полупроводниковый сенсор не является селективным, и поэтому в руководстве по эксплуатации указывается «перечень обычно встречающихся веществ, паров или газов, например чистящих жидкостей, полировочных средств, красок, образующихся при приготовлении пищи и т.д., которые могут оказывать кратковременное или долговременное воздействие на работу сигнализатора». 4) На работе сигнализатора существенно сказывается повышенная влажность >70% при комнатной и более высоких температурах, что при приготовлении пищи на кухне - довольно частое явление.
Известен ближайший аналог (прототип) заявляемого изобретения [3, 4], в котором, как и в заявляемом, применен термокаталитический сенсор, энергосберегающий импульсный режим питания от автономного источника, передача команд управления по радиоканалу с использованием ZigBee-модема, способного не только формировать радиосигнал, но и транслировать через себя команды передаваемые от других сигнализаторов, беспроводное воздействие команд управления на клапан-отсекатель. Недостатком прототипа является то, что в нем подразумевается использование в термокаталитическом сенсоре мостовой измерительной схемы, потребляющей примерно вдвое больше по сравнению с используемым в предлагаемом изобретении одним чувствительным элементом, кроме того, в патенте RU 95849 U1, являющимся патентом на полезную модель, перечисляются составляющие устройства, без раскрытия особенностей, наличия оригинальных связей и форм выполнения связей между элементами устройства.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является снижение энергопотребления при сохранении метрологических характеристик соответствующих нормативным документам на бытовые сигнализаторы метана.
Технический результат, достигаемый в заявленном изобретении, заключается в повышении эффективности импульсного питания сигнализатора.
Указанный технический результат, достигается тем, что сигнализатор метана, содержащий микромощный термокаталитический сенсор на одном чувствительном элементе, аналоговый усилительно-измерительный блок, микроконтроллерный блок с АЦП, ЦАП-1, ЦАП-2, приемо-передающий ZigBee модем для беспроводной передачи управляющих команд включения аварийной светозвуковой сигнализации и клапана-отсекателя газоподводящего трубопровода, а также автономный источник питания сенсора и электронной схемы сигнализатора, согласно изобретению один из составляющих микроконтроллера, ЦАП-1 выполняет функции задатчика нагревно-измерительного импульса тока многоступенчатой формы с заданной амплитудой и длительностью каждой из ступеней, а ЦАП-2 формирует потенциалы смещения синхронно сигналам, снимаемым, с измерительных ступеней нагревно-измерительного импульса тока, при этом выход ЦАП-1 через предусилитель подсоединен к входу сенсора, а выход ЦАП-2 к инвертирующему входу усилительно-измерительного блока.
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext>*</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>E</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup><mtext>*</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup><mtext>,</mtext><mtext> </mtext><msub><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>E</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup><mtext>*</mtext></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
Дифференциальность измерений на одном чувствительном элементе достигается тем, что на инвертирующий вход усилительно-измерительного блока синхронно с сигналами
, снимаемыми с первой измерительной ступени, поступает потенциал смещения
, близкий или равный по величине с
, а синхронно с сигналами
, снимаемыми со второй измерительной ступени, поступает потенциал
близкий или равный по величине с
, в результате усиливаются не абсолютные значения сигналов, а их разность с потенциалами смещения.
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
* здесь:
- падение напряжения на 1-й измерительной ступени в среде воздуха;
1
U - падение напряжения на 1-й измерительной ступени в метано-воздушной среде;
<mrow><msubsup><mtext>E</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
- потенциал смещения, равный или близкий по величине с
, но противоположный по знаку;
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
- падение напряжения на 2-й измерительной ступени в среде воздуха;
2
U - падение напряжения на 2-й измерительной ступени в метано-воздушной среде;
2
<mrow><msubsup><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
E - потенциал смещения, равный или близкий по величине с
, но противоположный по знаку;
вых
2
1
<mrow><msubsup><mtext>E</mtext><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mtext>E</mtext><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow>
Промежуточный выходной сигнал s оценивается как разность снимаемых напряжений U, U и подаваемых потенциалов
и
по формуле:
<mrow><msub><mtext>s</mtext><mrow><mtext>вых</mtext></mrow></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>2</mtext></msub><msubsup><mrow><mtext>-E</mtext></mrow><mtext>2</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mtext>U</mtext><mtext>1</mtext></msub><msubsup><mrow><mtext>-E</mtext></mrow><mtext>1</mtext><mtext>o</mtext></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>S</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>K</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>E</mi><mn>2</mn><mi>o</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>U</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msubsup><mi>E</mi><mn>1</mn><mi>o</mi></msubsup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>.</mo></mrow>
вых
, а с учетом коэф. усиления K, выходной сигнал S оценивается как
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блок-схема сигнализатора метана, на фиг.2 - схема размещения сигнализатора метана в доме, на фиг.3 - форма многоступенчатого нагревно-измерительного импульса.
Бытовой сигнализатор метана состоит из сенсора (2), аналогового блока измерения и усиления сигнала (3), источника питания (4), микроконтроллерного (микропроцессорного) блока управления (5), предусилителя формирователя напряжения чувствительного элемента ЦАП-1 (1), ZigBee модема (6) для беспроводной передачи управляющих команд включения аварийной светозвуковой сигнализации и клапана-отсекателя газоподводящего трубопровода (конструктивно схема аварийно-звуковой сигнализации и клапан-отсекатель могут быть размещены в одном корпусе с общим автономным источником питания или в отдельных корпусах с обособленными источниками питания).
4
4
Функционирование бытового сигнализатора метана осуществляется в следующей последовательности. После включения источников питания сигнализатора и исполнительных устройств (клапана-отсекателя и светозвуковой сигнализации), вся система приходит в действие. Микроконтроллерный (микропроцессорный) блок через ЦАП-1 выдает на сенсор многоступенчатые импульсы тока, ускоряющие процесс нагрева и формирующие измерительные ступени импульса, с которых снимается сигнал и параллельно с потенциалами смещения, выдаваемыми ЦАП-2 подается на вход аналогового блока измерения и усиления сигнала. Усиленный аналоговый сигнал поступает в АЦП где преобразуется в цифру и далее поступает в микропроцессор, где сравнивается с установленными сигнальными значениями и в зависимости от величины сигналов формирует и посылает в ZigBee-модем два вида сигналов: 1) концентрация метана в месте контроля не достигла заданного предела (например 0,5% об. долей CH или 1,0% об. долей CH), 2) концентрация метана достигла и превысила заданный предел. ZigBee-модем получив сигнал от микропроцессора преобразует его в радиосигнал и посылает в исполнительные устройства. Сигнал первого вида принимается только устройством свето сигнализации, преобразуя его в кратковременное свечение светодиода. Сигнал второго вида принимается как клапаном-отсекателем, так и устройством светозвуковой сигнализации, приводя к срабатыванию светозвуковой сигнализации и клапана-отсекателя.
На фиг.2 представлена примерная схема газоснабжения квартиры с газовой плитой и газовой колонкой для ванной комнаты и расположением сигнализатора метана и исполнительного устройства (клапана-отсекателя), устройство свето-звуковой сигнализации на фиг.2 не указано, так как помимо 2-х вариантов размещения свето-звуковой сигнализации возможен и третий - с размещением ее в корпусе сигнализатора, что и подразумевается на фиг.2. здесь 1 - газовый стояк, 2 - подводящий газопровод, 3 - газозапорный клапан, 4 - газовая плита, 5 - бытовое газовое устройство (газовая колонка, котел и т.п.) 6 - сигнализатор метана.
Для проверки декларируемых отличительных признаков предполагаемого изобретения, был изготовлен действующий макет сигнализатора метана и испытан в лабораторных условиях. Основные показатели, полученные на действующем макете сигнализатора метана, сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Характеристика
Вариант 1 измерительный, с погрешностью ±0,1% CH<sub>4</sub>
Вариант 2 сигнализирующий, с погрешностью ±0,25% CH<sub>4</sub>
1
Число ступеней в импульсе
4
4
2
Суммарная длительность всех импульсов, мс
700
250
3
Длительность паузы, с
30
30
4
Потребляемая мощность, мВт
2,5
1,0
5
Максимальное напряжение в импульсе, В
1,5
1,5
Предлагаемое изобретение и примененные в нем технические решения, могут быть использованы не только в бытовых сигнализаторах метана, но и в промышленных стационарных метанометрах в тех случаях когда по ряду причин технически невозможно осуществить проводную связь или она невыгодна экономически.
Литература
1. Каталог ФГУП СПО «Аналитприбор», 2009 г.
2. www avangard-gas.ru, «Газосигнализаторы «АВУС-КОМБИ».
3. Патент России RU 95849 U1 кл G01N 33/00 Опубликовано.
4. Баранов A.M., Иванов М.А. и др. «Беспроводный автономный датчик для мониторинга утечек горючих газов» - «Датчики и системы» 2010, №11, стр.34-38.