ГАЗОАНАЛИЗАТОР ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

Полезная модель относится к устройствам для измерения активного сопротивления электрически нагреваемого тела в зависимости от температуры, вызванного сгоранием или каталитическим окислением испытуемого материала, например газа, служащего средой для нагреваемого тела. Устройство полезно в качестве газоанализатора и сигнализатора горючих газов и может использоваться совместно с запорным клапаном с электромагнитным управлением для автоматического перекрытия газовой линии.
Из уровня техники известен термокаталитический сенсор (RU 48639 U1, МПК G01N 27/16, опубл. 27.20.2005), содержащий помещенные в реакционную камеру измерительный и компенсационный чувствительные элементы, выполненные в виде цилиндрических спиралей из платиновой проволоки, на которые нанесено покрытие из гамма-оксида алюминия, при этом поверхность покрытия измерительного чувствительного элемента активирована катализатором. При этом в качестве катализатора измерительного чувствительного элемента использован родиевый катализатор, реакционная камера выполнена из фторопласта, а поверхность покрытий чувствительных элементов имеет эллипсовидную или шарообразную форму.
Недостатком известного сенсора является отсутствие в его конструкции средств автоматики, позволяющих использовать его в качестве законченного узла в системах предупреждения об утечке горючих газов.
Наиболее близким техническим решением к предложенной полезной модели и выбранным в качестве прототипа признан газовый сигнализатор (RU 30436 U1, МПК G01N 27/16, опубл. 27.06.2003), содержащий нормирующий усилитель, вход которого связан с выходом электрохимического датчика, а выход подсоединен к входу компаратора, второй компаратор, схему световой и звуковой сигнализации, вход которой соединен с выходами обоих компараторов.
Недостатком газового сигнализатора то, что в его конструкции отсутствуют узлы беспроводной связи, позволяющие передавать сигнал тревоги удаленному запорному оборудованию, позволяющему автоматически перекрывать газовую линию.
Технической задачей, на решение которой направлена полезная модель, является возможность передачи газоанализатором горючих газов сигнала тревоги об утечке газа посредством беспроводной связи удаленному запорному клапану с электромагнитным управлением.
Указанная задача решена тем, что газоанализатор горючих газов содержит датчик, выполненный в виде чувствительного элемента, состоящего из керамической трубки, покрытой оксидом алюминия и нанесенного на него слоя диоксида олова, при этом внутри трубки размещен нагревательный элемент. Отличает газоанализатор от известных то, что нагревательный элемент датчика подключен к первому силовому выходу блока управления, к трубке присоединен первый электрод, подключенный ко второму силовому выходу блока управления и второй электрод, подключенный к его измерительному входу. Блок управления снабжен автономным источником питания, выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ, SRAM-памятью данных, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART. При этом первый порт ввода-вывода микроконтроллера подключен к первому силовому выходу блока управления, второй порт ввода-вывода подключен ко второму силовому выходу, к входу аналого-цифрового преобразователя через операционный усилитель подключен измерительный вход блока управления, а к выходу универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART подключен радиомодуль.
Положительный технический результат, обеспечиваемый конструктивными признаками газоанализатора, состоит в повышении безопасности эксплуатации газового оборудования за счет возможности передачи газоанализатором сигнала тревоги об утечке газа по радиоканалу удаленному запорному клапану с электромагнитным управлением, за счет применения датчика, подключенного к микроконтроллеру и универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART подключенного к радиомодулю.
Конструкция газоанализатора поясняется чертежами, где на фигуре представлена его структурная схема.
Газоанализатор горючих газов устроен следующим образом.
Его основой является датчик 1, выполненный в виде чувствительного элемента, состоящего из керамической трубки 2, покрытой оксидом алюминия и нанесенного на него слоя диоксида олова, при этом внутри трубки размещен нагревательный элемент 3, подключенный к первому силовому выходу 4 блока управления. Электрод может быть выполнен, например, в виде катушки из медной проволоки, один конец которой подключен к упомянутому силовому выходу 4, а второй соединен с землей. К трубке 2 присоединен первый электрод 5, подключенный ко второму силовому выходу 6 блока управления и второй электрод 7, подключенный к его измерительному входу 8. Блок управления снабжен автономным источником питания (на фигуре условно не показан) и выполнен на основе микроконтроллера, содержащего микропроцессорное ядро 9, соединенное с помощью системной шины с FLASH-памятью программ 10, SRAM-памятью данных 11, двенадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем 12, энергонезависимой электрически перепрограммируемой памятью EEPROM 13, универсальными восьмиразрядными двунаправленными портами ввода-вывода и универсальным синхронно-асинхронным приемопередатчиком USART 14. При этом первый порт ввода-вывода 15 микроконтроллера подключен к первому силовому выходу 4 блока управления, второй порт ввода-вывода 16 подключен ко второму силовому выходу 6, к входу аналого-цифрового преобразователя 12 через операционный усилитель (на фигуре условно не показан) подключен измерительный вход 8 блока управления, а к выходу универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика USART 14 подключен радиомодуль 17.
1
1
2
2
3
3
В качестве датчика 1 может быть использован готовый промышленный прибор MQ-5 ( MQ-5 Gas Sensor, Датчик газа для Arduino проектов, чувствителен к сжиженым, природным, угольным газам // Chipdip.ru. URL: https://www.chipdip.ru/product/mq-5-gas-sensor (дата обращения: 27.08.2018). В качестве микроконтроллера блока управления целесообразно использовать микросхему STM8L152, построенную на высокопроизводительном ядре STM8, имеющую широкий набор периферийных устройств и специально предназначенную для средних и высокопроизводительных малопотребляющих приложений ( STM8 8-bit MCUs // St.com URL: http://www.st.com/en/microcontrollers/stm8-8-bit-mcus.html?querycriteria=productld=SC1244 (дата обращения: 28.03.2018). Силовые выходы 4 и 6 могут быть выполнены, например, на основе транзисторных ключей, в качестве радиомодуля может использоваться микросхема НС-12 с UART-интерфейсом ( НС-12: радиомодуль с UART-интерфейсом на 433 МГц// Записки программиста URL: https://eax.me/hc-12 (дата обращения: 28.03.2018), а к третьему порту ввода-вывода 18 микроконтроллера может быть дополнительно подключен зуммер 19 для звукового оповещения об утечке газа.
Газоанализатор горючих газов работает следующим образом.
Первоначально его устанавливают в негерметичном пластиковом корпусе, выполненном с возможностью свободного доступа газовой среды к датчику, и подключают автономный источник питания, который представляет собой аккумуляторную батарею. Затем корпус с установленным в нем газоанализатором закрепляют на стене помещения, после чего активируют газоанализатор.
2
Во время работы газоанализатора микропроцессорное ядро 9 в соответствии с управляющей программой, хранимой во FLASH-памяти программ, через равные промежутки времени, отсчитываемые с помощью шестнадцатиразрядных таймеров-счетчиков микроконтроллера (на фигуре условно не показаны), управляет портами ввода вывода 15, 16 и аналого-цифровым преобразователем 12, выполняя разогрев нагревательного элемента 3 и измерение сопротивления тонкопленочного слоя диоксида олова SnO при контакте с молекулами определяемого газа.
Цикл измерения выполняется следующим образом.
2
Микроконтроллер подает на первый силовой выход 4 через порт ввода-вывода 15 сигнал прямоугольной формы заданной скважности, причем константы, определяющие скважность сигнала, а также длительность его подачи, хранятся в энергонезависимой памяти EEPROM 13 и могут быть изменены программно при калибровке прибора. От формы сигнала зависит ток, протекающий через нагревательный элемент 3 и температура его нагрева. Нагревательный элемент 3 нагревает керамическую трубку 2 до температуры, при которой диоксид олова SnO начинает реагировать на определяемый газ, после чего порт ввода-вывода 15 и, соответственно, силовой выход 4 отключаются. Затем на силовой выход 6 через порт ввода-вывода 16 подается постоянный сигнал высокого логического уровня, поступающий через первый электрод 5 на чувствительный элемент, снимаемый электродом 7 и подающийся на измерительный вход 8. Одновременно с этим микроконтроллер запускает непрерывный цикл аналого-цифрового преобразования, анализирует полученные данные о падении сопротивления на чувствительном элементе и, в случае если значение сопротивления соответствует наличию в воздухе горючего газа, передает через универсальный синхронно-асинхронный приемопередатчик USART 14 и радиомодуль 17 сигнал тревоги запорному клапану с электромагнитным управлением, при этом последний автоматически перекрывает газовую линию; далее с помощью зуммера 19 через порт ввода-вывода 18 подается звуковой сигнал тревоги.
Таким образом, рассмотренный в настоящей заявке газоанализатор, является недорогим автономным прибором, повышающим безопасность использования бытового газового оборудования.