Газоанализатор
GAS ANALYSER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно, к устройствам, предназначенным для определения концентрации газов, в частности, метана и других газообразных углеводородов (пропан, гексан и др.), и которые могут быть использованы для передачи информации о содержании горючих газов и паров горючих жидкостей (в том числе - паров нефтепродуктов), токсичных газов и кислорода в воздухе рабочей зоны, технологических газовых средах, пространств промышленных объектов, трубопроводах и воздуховодах, и подачи предупредительной сигнализации о соответствующих величинах.
Уровень техники
Из RU 2413934 известен газоанализатор, состоящий из датчика и электронного блока, которые соединены между собой кабелем, и предназначенный для непрерывного измерения молекулярного кислорода в потоках газа технологической цепочки.
Недостатком данного газоанализатора являются низкие функциональные и эксплутационные возможности, обусловленные тем, что электронный блок управления не способен проводить диагностику исправности цепей питания или качества работы программы микроконтроллера, отсутствует возможность осуществления калибровки прибора удаленно по радио каналу.
Наиболее близким по функциональным возможностям является газоанализатор, раскрытый в RU 77072 U1, включающий блок питания, датчик загазованности, блок звуковой и световой сигнализации, блок управления внешней цепи, блок автоматического отключения подачи газа и схему управления этим блоком.
Недостатком данного устройства является низкие функциональные и эксплутационные возможности, в частности, обусловленные тем, что блок звуковой и световой сигнализации не способен передавать наружу цифровые значения измеряемого параметра, что не позволяет получать удаленно или видеть информацию о количестве содержимого газа в анализируемой (измеряемой) среде непосредственно на приборе, кроме того, отсутствует возможность осуществления калибровки прибора удаленно по радиоканалу.
Наиболее близким по совокупности признаков является газоанализатор, раскрытый в RU 191610 U1, в котором предлагается инфракрасный газоанализатор, состоящий из цилиндрического корпуса, на поверхности которого установлен разъем для подключения внешних цепей, а внутри которого расположены инфракрасный оптический датчик, включающий в себя отверстия для входа и выхода анализируемого газа, инфракрасный светодиод, интерференционные фильтры и расположенную по ходу инфракрасного излучения светодиода газовую кювету с фокусирующими линзами инфракрасного излучения, фотоприемники инфракрасного излучения и электронный блок управления, включающий в себя коммуникационную плату, к которой присоединены управляющий микроконтроллер, формирователь сигналов интерфейса.
Недостатком данного газоанализатора также являются низкие функциональные и эксплуатационные качества, не позволяющие повысить надежность и безопасность эксплуатации прибора. Этот недостаток обусловлен тем, что электронный блок управления, включающий в себя коммуникационную плату, к которой присоединен управляющий микроконтроллер, не способен проводить диагностику исправности цепей питания или качества работы программы микроконтроллера. В электрической схеме отсутствует радиоблок для обеспечения удаленного доступа к газоанализатору, в частности, передачи данных измерений и калибровки прибора удаленно по радиоканалу и для этого требуется подключение внешних кабелей. Также не предусмотрено блока индикации для отображения рабочей информации снаружи корпуса, в частности, для оперативного отображения на самом приборе измеряемых значений, и не предусмотрено измерение температуры атмосферы внутри корпуса и, соответственно, контроля температуры электронных блоков внутри корпуса.
Раскрытие сущности изобретения.
Задачей заявляемого технического решения является повышение функциональных и эксплуатационных качеств газоанализатора.
Для решения поставленной задачи предлагается газоанализатор, имеющий корпус с прикрепленной к нему измерительной камерой, выполненной с возможностью впуска и выпуска анализируемой среды, в которой размещен чувствительный элемент для измерения параметров анализируемой среды, причем на поверхности корпуса расположены кабельный ввод для подключения внешних цепей и разъем блока контактных соединений, а внутри корпуса размещены главный электронный блок с микропроцессором, блок цифроаналогового преобразователя и интерфейсный блок. Предлагаемый газоанализатор отличается тем, что он дополнительно содержит установленный внутри корпуса блок радиосвязи для обеспечения удаленного доступа к газоанализатору и блок индикации для отображения рабочей информации снаружи корпуса, причем интерфейсный блок соединяет блок цифроаналогового преобразователя, блок радиосвязи, чувствительный элемент и блок индикации с главным электронным блоком, а блок цифроаналогового преобразователя выполнен с возможностью формирования унифицированного аналогового сигнала и его выход соединен с блоком контактных соединений.
Указанные блоки предпочтительно выполнены на соответствующих печатных платах и соединены между собой проводным шлейфом, соединяющим блоки через штепсельные коннекторы, установленные на печатных платах этих блоков.
Корпус газоанализатора предпочтительно выполнен из металла, а измерительная камера выполнена из пластика и жестко крепится к корпусу посредством подходящего крепежного элемента (например, резьбового или штифтового) через отверстие в поверхности корпуса.
Блок индикации предпочтительно снабжен расположенным на поверхности корпуса устройством отображения для отображения измеряемых значений, которое может представлять собой дисплей для отображения числовых значений измеряемых параметров.
В интерфейсном блоке предпочтительно установлен датчик температуры для измерения температуры атмосферы внутри корпуса и обеспечения контроля температуры размещенных в нем электронных блоков. Причем интерфейсный блок представляет собой модуль печатной платы, включающий: схему согласования и распределения сигналов к главному электронному блоку от периферийных устройств; схему защиты главного электронного блока; схему задержки отключения питания и датчик температуры установленный на печатной плате интерфейсного блока.
В одном из вариантов выполнения чувствительный элемент выполнен в виде оптического датчика, содержащего: оптическую линзу; излучатель инфракрасного луча; приемник инфракрасного излучения; формирователь цифрового сигнала.
Блок радиосвязи предпочтительно представляет собой приемо-передатчик, установленный внутри корпуса и соединенный штепсельным коннектором с интерфейсным блоком. Блок радиосвязи может быть дополнительно предназначен для беспроводной калибровки чувствительного элемента, удаленной передачи данных измерений.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и безопасности работы газоанализатора.
Указанный технический результат достигается посредством выше представленной совокупности признаков с отличительными признаками, непосредственно влияющими на указанный технический результат.
А именно, в отличие от аналогов и прототипа, в заявляемом газоанализаторе установлен блок радиосвязи, обеспечивающий возможность соединения главного электронного блока с другими внешними устройствами по каналу радиосвязи для настройки и калибровки чувствительного элемента и изменения параметров измерения.
Такое решение позволяет передавать данные измерений, настраивать и калибровать прибор во взрывоопасных зонах, не используя проводных соединений, тем самым не нарушая герметичность газоанализатора, что в свою очередь повышает надежность и безопасность работы устройства.
Блок индикации, установленный в корпусе газоанализатора, может отображать цифровое значение концентрации горючих газов и цифровое значение унифицированного аналогового сигнала, передаваемого от блока аналогово-цифрового преобразователя во внешние цепи управления.
Такое решение дополнительно повышает функциональные возможности и эксплутационные качества, а также позволяет оперативно передавать рабочую информацию, включая данные измерений, и производить проверку работоспособности газоанализатора, не подключая внешних измерительных приборов.  При этом не нарушается герметичность и целостность внешних цепей, что также влияет на надежность и безопасность работы устройства.
Кроме того, в отличие от аналогов и прототипа, в заявляемом газоанализаторе установлен интерфейсный блок, объединяющий данные чувствительного элемента, блока радиосвязи, блока цифроаналогового преобразователя, дополнительного датчика температуры и блока индикации в общий последовательный интерфейс и передающий данные на главный электронный блок с возможностью обеспечения контроля цепей питания и температуры внутри корпуса газоанализатора.
Такое решение позволяет повысить эксплуатационные качества в плане повышения надежности и безопасности эксплуатации газоанализатора, поскольку оно позволяет предотвратить выход из строя компонентов газоанализатора, в частности, чувствительного элемента, блока радиосвязи, блока цифроаналогового преобразователя и блока индикации, в частности, из-за превышения рабочей температуры или зависания программы.
Соответственно, конструкция предложенного газоанализатора (измерителя концентрации газа), среди прочего, выгодна и эффективна тем, что способна проводить самодиагностику, вследствие чего, по меньшей мере частично, предотвращать неисправность внутренних блоков устройства и получать или передавать по каналу радиосвязи или отображать на блоке индикации информацию об анализируемой среде и качестве работы газоанализатора, тем самым исключая разгерметизацию, нарушение целостности электрических цепей, что может иметь место при подключении проводных измерительных приборов.
Как результат, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение надежности и безопасности работы газоанализатора.
Краткое описание фигур
На фигурах изображены:
фиг. 1 - вид газоанализатора спереди;
фиг. 2 - вид газоанализатора сбоку;
фиг. 3 - функциональная схема газоанализатора.
Осуществление изобретения.
Представленный на фиг. 1 и 2 газоанализатор имеет герметичный корпус 1, предпочтительно выполненный из металла, такого как алюминий или нержавеющая сталь. Корпус 1 имеет основную цилиндрическую часть, на фронтальной стороне которой установлена передняя крышка 2, снабженная резьбой.
Снизу к основной части корпуса 1 герметично прикреплена пластиковая измерительная (демпферная) камера 3, содержащая отверстия для проникновения внутрь нее анализируемой окружающей среды (под действием давления самой среды) и предназначенная для защиты чувствительного элемента от пыли, осадков и механических повреждений. А именно, среда попадает в измерительную камеру 3 через впускное отверстие на ее нижнем участке и выходит через выпускные отверстия 4 для выхода анализируемой среды.
На фронтальной стороне корпуса 1 имеется смотровое окно/стекло 5, закрепленное на передней крышке 2 и предназначенное для обзора индикации, отображаемой на дисплее, установленном в основной части корпуса. В частности, внутри алюминиевого корпуса, с фронтальной стороны, крепится плата электронных компонентов и дисплей, и электронные компоненты закрываются алюминиевой крышкой, в середине которой, установлено смотровое стекло. Индикация может отображать такую информацию, как процент концентрации содержания горючих газов, единицу измерения, мощность сигнала радиосвязи и сервисные данные для обслуживания.
На поверхности корпуса 1 имеется крепежное отверстие 6 и герметичный кабельный ввод 7 для подключения внешних цепей, в частности, выполненный в виде уплотнительного кольца со сквозным отверстием, вставленного в отверстие алюминиевого корпуса и прижатого при помощи резьбового соединения крепежным элементом, например, болтом со сквозным отверстием, через которое проходят электрические цепи электрического питания прибора и цепь аналогового сигнала, содержащего данные о концентрации горючих газов в анализируемой среде, которые подключаются к блоку контактных соединений, установленных в отверстие с тыльной стороны корпуса 1 и закрытых задней крышкой 9. С правой стороны (на фиг. 1) алюминиевого корпуса 1 расположено отверстие 8 с резьбой для подключения заземляющей клеммы.
Задняя крышка 9 установлена на тыльной стороне корпуса 1 для защиты клеммных соединений и также снабжена резьбой.Кабель с токоведущими цепями может пропускаться через кабельный ввод и фиксироваться болтом, и задняя крышка обеспечивает, при необходимости, доступ монтажника к клеммам блока контактных соединений с целью подключения к ним электрических цепей.
Пластиковая измерительная камера 3 крепится снизу основной части корпуса 1 посредством болтовых соединений, например, через отверстие 10 в поверхности корпуса (показано одно, но может быть несколько, разнесенных по окружности).
На фиг. 3 представлена функциональная схема предлагаемого газоанализатора, показывающая его основные блоки, размещаемые внутри корпуса 1, и их функциональную взаимосвязь друг с другом. Тонкими линиями указаны цепи питания, широкими стрелками - сигналы.
В частности, внутри корпуса 1 размещаются: блок контактных соединений 11; блок питания 12; главный электронный блок 13; интерфейсный блок 14; блок цифроаналогового преобразователя 15; чувствительный элемент 16; блок радиосвязи 17; блок индикации 18. Указанные блоки предпочтительно выполняются на соответствующих печатных платах и соединены между собой проводным шлейфом, соединяющим блоки через штепсельные коннекторы, установленные на печатных платах этих блоков.
В качестве блока контактных соединений 11 для подключения электрических цепей и блока питания 12 могут использоваться обычные для таких устройств и хорошо известные специалистам средства.
Главный электронный блок 13 физически также может представлять собой обычный микроконтроллер, снабженный микропроцессором.
Интерфейсный блок 14 представляет собой модуль печатной платы, в частности, включающий:
а) схему согласования и распределения сигналов к главному электронному блоку от периферийных устройств;
б) схему защиты главного электронного блока;
в) схему задержки отключения питания.
В интерфейсном блоке 14 также дополнительно установлен датчик температуры, который является частью комплекса диагностики и выполняет задачу по контролю температуры воздуха именно внутри корпуса газоанализатора. Расположение датчика температуры в интерфейсном блоке наиболее предпочтительно, так как печатная плата интерфейсного блока, контактирует с воздушным пространством полости корпуса и расположена в центральной части корпуса. Таким образом, установка в интерфейсном блоке датчика температуры обеспечивает наилучшие условия для измерения температуры атмосферы внутри корпуса и обеспечения контроля температуры, размещенных в нем электронных блоков, что дополнительно повышает надежность и безопасность работы устройства.
Сигналы, поступающие от других блоков, соединенных с интерфейсным блоком 14 с помощью штепсельных коннекторов и разъемов, проходят через схему согласования и распределения сигналов (а), которая согласует физические уровни напряжений данных блоков с физическим уровнем главного электронного блока и распределяет эти сигналы к выводам главного электронного блока. Каждый сигнал проходит через схему защиты главного электронного блока (б), которая представляет собой защиту по превышению напряжения и тока, состоящую из цепей стабилитронных узлов и токоограничивающих сопротивлений. На печатной плате установлен упомянутый датчик температуры для мониторинга за температурой воздуха внутри алюминиевого корпуса. В случае отклонения напряжения питаний, сформированных блоком 12 питания (бросок или короткое замыкание), или отклонения температуры внутри корпуса от номинальных значений, сработает схема защиты главного электронного блока (б), блок питания 12 отключится, а схема задержки отключения питания (в), состоящая из конденсаторов, установленных на печатной плате интерфейсного блока 14, обеспечит кратковременное электроснабжение главного электронного блока для того, чтобы контроллер успел сформировать и сохранить отчет о неисправности и при необходимости отправил его по радиосвязи на станцию клиента. В качестве станции клиента может быть ноутбук или переносной коммуникатор, подключенные к данному радиоканалу. Задача станции клиента - производить запрос информации (метрологические данные, статус исправности, архив, и.т.д.) для ведения контроля за устройством и его наладки.
Таким образом, интерфейсный блок 14 не допускает прямых коммуникаций между блоками и главным электронным блоком (контроллером) и в предпочтительном варианте оснащен защитами по превышению питания и короткому замыканию, в частности, за счет установки в интерфейсном блоке схемы задержки отключения питания, которая хранит запасённую электроэнергию в конденсаторах и в случае сбоя или обрыва питающих цепей позволяет контроллеру провести анализ неисправности и сформировать отчет. В общем, дополнительно решается задача, чтобы устройство не просто умело самодиогнастироваться, а успевало собирать и сохранять данные после сбоя и отключения устройства. Т.е обеспечивается средство регистрации последних событий (черный ящик).
Все это позволяет существенно повысить надежность и безопасность работы газоанализатора, особенно, в критических условиях эксплуатации. Например, места установки газоанализаторов могут находиться в близи печей, горелочных устройств или обогревателей. Такие условия становятся критичными при эксплуатации датчиков и могут привести к перегреву и выходу из строя электронных компонентов. На практике такую неисправность отследить практически невозможно, так как радиокомпоненты визуально могут не иметь признаков повреждений. Контроль внутренней среды газоанализатора позволит избежать перегрева, так как сработает защита, а отчет укажет на превышение температурного режима. Также сформированный контроллером отчет в момент сбоя датчика поможет центру обслуживания ускорить и улучшить качество ремонта на основании данных, выгруженных из черного ящика.
Чувствительный элемент 16 представляет собой оптический датчик, содержащий:
- оптическую линзу (зеркало);
- излучатель инфракрасного луча;
- приемник инфракрасного излучения (ИК);
- формирователь цифрового сигнала.
Чувствительный элемент соединяется со штепсельным разъёмом в отверстии снизу корпуса 1. Снаружи по оси этого отверстия на корпус 1 надевается кожух измерительной (демпферной) камеры, который закрепляется болтовыми соединениями расположенными, перпендикулярно оси этого отверстия.
При подаче питания излучатель ИК (излучатель инфракрасного сигнала) генерирует луч в зеркало, которое установлено под фиксированным углом так, чтобы луч попадал в приемник ИК (приемник инфракрасного сигнала), который расположен параллельно с ИК излучателем. Приемник ИК преобразует энергию ИК излучения в электрическую. При попадании горючего газа между излучателем и зеркалом, интенсивность ИК излучения поглощается этим газом, тем самым снижается уровень электрического заряда на приемнике ИК. Сигнал электрического заряда преобразуется в цифровой сигнал, формирователем цифрового сигнала.
Блок радиосвязи 17 представляет собой приемо-передатчик, установленный внутри корпуса и соединенный штепсельным коннектором с интерфейсным блоком. Это позволяет клиенту (оператору, сервисному или ремонтному персоналу) получить удаленный доступ к газоанализатору и изменять его конфигурации, а также получать информацию об измерениях и статусе работы. А именно, внедрение данного модуля дополнительно позволяет:
- дублировать канал связи в случае обрыва кабеля;
- калибровать датчик и вносить изменения в работу удаленно;
- производить манипуляции сразу с несколькими газоанализаторами (ускоряет время обслуживания);
- проводить наладку работы газоанализатора, не вскрывая оболочку и не нарушая целостность взрывобезопасной оболочки во взрывоопасных зонах (повышение надежности в эксплуатации).
Блок индикации 18 для отображения цифровых значений измеряемой концентрации горючих газов содержит дисплей, например, жидкокристаллический дисплей (LCD) или дисплей на органических светодиодах (OLED). В процессе работы устройства от главного электронного блока непрерывно поступает цифровой сигнал с данными, которые в свою очередь преобразуются в информационные объекты в рабочем поле матрицы блока индикации в виде текста, гистограмм и цифр (для вывода такого рода данных наиболее подходят указанные виды дисплеев, с помощью которых пользователь сможет получать эти данные без подключения внешних цепей/приборов). В частности, может отображаться следующая информация:
концентрация измеряемой среды;
единица измерения;
молекулярная формула газа;
мощность сигнала радиоантенны;
статус работы устройства;
символы достижения пороговой концентрации;
диагностические коды ошибок;
номер устройства или тэг.
Начало работы устройства начинается с подачи напряжения на блок контактных соединений 11 и запуск блока питания 12, которые соединены проводным шлейфом, соединяющим блоки через штепсельные коннекторы, установленные на печатных платах блоков. Блок питания 12 формирует соответствующий уровень напряжений питания для каждого отдельного блока. Когда в чувствительном элементе 16 напряжение питания достигнет нормы, формирователь цифрового сигнала, установленный в чувствительном элементе 16, будет непрерывно передавать в интерфейсный блок 14 сигнал с данными о концентрации горючих газов в анализируемой среде и качестве работы чувствительного элемента 16. Блок радиосвязи 17 принимает команды по радиоканалу от клиента (например, ноутбук или переносной коммуникатор, подключенные к данному радиоканалу) и передает в интерфейсный блок 14, далее принимает сигнал с данными от интерфейсного блока 14 и передает обратно по радиоканалу. Блок цифроаналогового преобразователя 15 принимает от интерфейсного блока 14 цифровой сигнал, содержащий данные о концентрации горючих газов в анализируемой среде, преобразует и передает унифицированный аналоговый сигнал, содержащий данные о концентрации горючих газов в анализируемой среде, на блок контактных соединений 11 (унифицированный сигнал - это пропорциональное значению физической величины значение определенного вида (ток, напряжение) выходного сигнала преобразователя, в определенном диапазоне его возможных изменений (например: ток в диапазоне 4-20мА, напряжение в диапазоне ±5В или 0-10В)).
Кроме того, блок цифроаналогового преобразователя 15 передает на интерфейсный блок 14 цифровой сигнал с данными о температуре блока цифроаналогового преобразователя 15. Блок индикации 18 принимает цифровой сигнал с данными о концентрации горючих газов в анализируемой среде от интерфейсного блока 14 и представляет соответствующие цифровые значения на устройстве отображения 5, например, на упомянутом LCD или OLED дисплее. Интерфейсный блок 14 с установленным внутри датчиком температуры принимает цифровые сигналы от блока радиосвязи 17, блока цифроаналогового преобразователя 15, чувствительного элемента 16 и датчика температуры, встроенного в интерфейсный блок 14, согласует физические уровни сигналов и отправляет в главный электронный блок 13. Главный электронный блок 13 принимает цифровые сигналы с данными о температуре внутри устройства, концентрации горючих газов в анализируемой среде, напряжениях питания всех блоков устройства от интерфейсного блока 14.
Повышение функциональных возможностей и эксплуатационных качеств, обеспечивающих надежность и безопасность работы, достигается, в частности, за счет того, что главный электронный блок 13, непрерывно контролирующий температуру внутри устройства с помощью датчика температуры, установленного внутри интерфейсного блока 14, и напряжения в цепях блока питания 12, отключает устройство в случае превышения температуры внутри устройства, превышении напряжений в электрических цепях блока питания 12, формирует цифровой сигнал с данными о превышении температуры внутри устройства, превышении напряжений в электрических цепях блока питания 12, сохраняет отчет о неисправности и при необходимости отправляет его по радиоканалу в адрес станции клиента через блок радиосвязи 17. Такое решение позволяет предотвратить выход из строя газоанализатора по причине превышения температуры внутри устройства или превышения напряжения в цепях блока питания 12, т.е повысить надежность/работоспособность газоанализатора и безопасность его эксплуатации. Наличие в предлагаемом газоанализаторе блока радиосвязи 17 обеспечивает возможность соединения главного электронного блока 13 с другими внешними устройствами по каналу радиосвязи для настройки, проверки работоспособности и калибровки устройства. Таким образом оперативный ремонтный персонал может обслуживать газоанализатор удаленно, не вскрывая устройство, что в свою очередь повышает безопасность работы устройства и эффективность обслуживания, не нарушая герметичность и целостность внешних цепей. Этому же дополнительно способствует блок индикации, в частности, отображающий цифровые данные, так как позволяет, при необходимости, получать данные измерений и производить проверку работоспособности газоанализатора, не подключая внешних измерительных приборов, тем самым не нарушая герметичность и целостность внешних цепей.