Сигнализатор загазованности

Полезная модель относится к области контроля параметров газовой среды и предназначена для автоматического контроля концентрации взрыво- и пожаро- токсично-опасных газов и паров нефтепродуктов внутри зданий, территории жилых зон, территории промышленных предприятий, горных выработок, газопроводов, лесных массивов, свалок отходов, автомобильных дорог и выдачи, как индивидуальной сигнализации, так и беспроводной передачи данных для оперативного информирования соответствующих служб при возникновении чрезвычайных ситуаций.
Устройство состоит из газового сенсора с аэродинамической трубой на штыре, микропроцессора, радиомодема, схемы питания, звукового излучателя и светового сигнализатора, что позволяет расширить арсенал технических средств газового мониторинга для случаев отсутствия в зоне мониторинга систем электроснабжения и кабельного телеизмерения. С целью энергосбережения в устройстве реализован периодический режим измерения концентрации газов и передачи данных на диспетчерский пульт. Техническим результатом является повышение оперативности и надежности работы устройства за счет оптимизации взаимодействия анализируемой газовой смеси с измерительным сенсором.
Заявляемая на регистрацию полезная модель относится к системам сигнализации, а именно к сигнализаторам загазованности, которые используются с целью обеспечения безопасности людей в горной, горнодобывающей, химической, нефтегазовой промышленностях и жилищно-коммунальном хозяйстве.
Известен газоанализатор ФП22 (http://pharmec.net/catalog/2069/2070/ (НП ОДО «ФАРМЭК» Беларусь)), предназначенный для измерения объемной доли и поиска утечек горючих газов в воздухе, метана, пропана или водорода, оценки уровня загазованности и выдачи звуковой и световой сигнализации при превышении установленных пороговых значений объемной доли газов. Газоанализатор ФП22 является портативным измерительным прибором взрывозащищенного исполнения с цифровой индикацией, световой и звуковой сигнализацией, встроенным микронасосом и газозаборной штангой для принудительного забора пробы анализируемой среды.
Газоанализатор ФП22 способен проводить как измерение концентрации горючих газов в воздухе, так и контроль превышения установленных пороговых значений объемной доли газов. Недостатком газоанализатора ФП22 являются:
увеличение энергопотребления при работе микронасоса;
отсутствие беспроводного канала передачи измеренных данных.
Известна беспроводная сенсорная сеть для мониторинга состава газовой среды (патент РФ № 110205, МПК G08B 17, опубл. 15.03.2011), содержащая беспроводные газовые датчики с автономным питанием, не требующем замены в течение их межкалибровочного интервала, беспроводные исполнительные устройства, беспроводной координатор сети и беспроводные маршрутизаторы радиосигналов.
Беспроводная сенсорная сеть для мониторинга состава газовой среды собирает информацию о концентрации газов в точках размещения газовых датчиков и по радиоканалу передает измеренные данные на беспроводные исполнительные устройства или иные приемники. Недостатком беспроводной сенсорной сети является невысокая информативность работы вследствие отсутствия звуковой и световой сигнализации в месте измерения и невысокая оперативность измерений и контроля вследствие конечного и ограниченного времени распространения газовой смеси в воздухе и ее взаимодействия с газовым датчиком.
Из известных технических решений наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому является беспроводный газовый датчик с автономным питанием (патент РФ № 95849, МПК G01N 33/00, опубл. 10.07.2010), содержащий газовые сенсоры, аналоговую измерительную часть, микропроцессорный модуль для управления режимами работы сенсоров, первичной обработки данных измерений и их хранения, а также схему питания сенсора и устройства в целом, причем в состав электронной схемы устройства интегрирован программно-аппаратный интерфейс для передачи данных и команд по беспроводным сетям, а алгоритм проведения измерений и передачи данных оптимизирован с целью автономной работы устройства без замены элементов питания в течение межповерочного интервала.
Беспроводный газовый датчик с автономным питанием измеряет концентрацию газа в точке нахождения газового сенсора и по радиоканалу передает измеренные данные на приемник пункта сбора данных. Недостатком данного беспроводного газового датчика является невысокая информативность работы вследствие отсутствия звуковой и световой сигнализации в месте измерения и невысокая оперативность измерений и контроля вследствие конечного и ограниченного времени распространения газовой смеси в воздухе и ее взаимодействия с газовым сенсором.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение безопасности производственных объектов горной, горнодобывающей, химической, нефтегазовой промышленностей и жилищно-коммунального хозяйства.
Поставленная задача достигается за счет того, что в известном беспроводном газовом датчике с автономным питанием, состоящем из газового сенсора, аналоговой измерительной части, микропроцессорного модуля для управления режимами работы сенсора, первичной обработки данных измерений и их хранения, схемы питания и радиомодема, добавлены аэродинамическая труба, звуковой излучатель и световой сигнализатор.
Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении оперативности измерений и контроля вследствие ускорения взаимодействия газовой смеси с газовым сенсором.
Дополнительным техническим результатом является наличие звуковой и световой сигнализации в месте измерения, кроме беспроводного канала передачи тревожного сигнала.
Сущность заявляемого технического решения поясняется графическими материалами:
на фиг. 1 представлена структурная схема сигнализатора загазованности;
на фиг. 2 представлено взаимное расположение конструктивных элементов сигнализатора загазованности.
Сигнализатор загазованности состоит из газового сенсора 1, микропроцессора 2, схемы питания 3, радиомодема 4, аэродинамической трубы 5, звукового излучателя 6 и светового сигнализатора 7.
Газовый сенсор 1 (фиг. 1) присоединен к микропроцессору 2, выходы которого присоединены к газовому сенсору 1, радиомодему 4, звуковому излучателю 6 и световому сигнализатору 7, причем газовый сенсор 1, микропроцессор 2, радиомодем 4, звуковой излучатель 6 и световой сигнализатор 7 присоединены, в свою очередь, к схеме питания 3, а газовый сенсор 1 установлен в нижней части аэродинамической трубы 5. Аэродинамическая труба 5 имеет конструктивное продолжение в форме треноги для размещения на поверхности.
Газовый сенсор 1 (фиг. 2), расположенный в нижней части аэродинамической трубы 5, соединен проводами, залитыми герметиком в трубке 11, со схемой сигнализатора загазованности. Для обеспечения жесткости газовый сенсор 1 закреплен в аэродинамической трубе 5 тремя шпильками 10. Аэродинамическая труба 5 состоит из черненной верхней металлической части, выполненной из любого металла с хорошей теплопроводностью и вставленной в нее нижней части из негорючего диэлектрика с плохой теплопроводностью. В верхней части аэродинамической трубы 5 выполнены отверстия, расположенные напротив друг друга. При наличии горизонтальной составляющей ветра вследствие эжекции происходит увлечение за собой воздуха в трубе и возникает вертикальное движение воздуха в трубе. Кроме этого, при наличии солнечного света верхняя часть трубы будет нагрета больше, чем нижняя, отчего также возникнет тяга воздушного потока снизу вверх. За счет меньшего внутреннего диаметра нижней части трубы по сравнению с верхней в зоне расположения газового сенсора 1 скорость перемещения воздушного потока возрастает по сравнению со скоростью в верхней части трубы. Тренога 9, обеспечивающая установку сигнализатора загазованности на земле, крепится к аэродинамической трубе 5 заклепками 12.
Заявляемое техническое решение поясняется во взаимодействии между отдельными элементами в процессе работы.
Аэродинамическая труба 5 нижним своим концом (входом) находится на уровне контролируемой воздушной среды (ТУ-ГАЗ-86 «Требования к установке датчиков сигнализаторов и газоанализаторов» http://kipkomplekt.ru/jurnal/tu-gaz-86.php), а верхний ее конец прикреплен к корпусу сигнализатора загазованности. Газовый сенсор 1 установлен в нижней части аэродинамической трубы 5, вследствие чего организуется направленное перемещение воздушной среды снизу вверх, увеличивая интенсивность взаимодействия воздушной среды с газовым сенсором 1. Газовый сенсор 1 (например, инфракрасный оптический), активизированный микропроцессором 2, формирует электрический сигнал (аналоговый или цифровой, в зависимости от конструкции и схемы), пропорциональный концентрации обнаруживаемого газа в воздушной среде, который поступает на вход (аналоговый вход аналого-цифрового преобразователя АЦП или вход цифрового сигнала, в зависимости от вида выходного сигнала) микропроцессора 2. Микропроцессор 2 производит вычисление концентрации газа и сравнение с записанными в памяти порогами. В случае превышения порога активизируется радиомодем 4 и производится передача тревожного сигнала посредством радиоволн. Кроме этого, в случае запрограммированности такого режима работы, микропроцессор 2 подает команды на звуковой излучатель 6 (включается звуковой сигнал или сирена) и световой сигнализатор 7 (включается яркий светодиод или проблесковый маяк). Схема питания 3 используется для электрического питания всех электронных схем сигнализатора загазованности.
Подробнее работу сигнализатора загазованности можно уяснить, рассмотрев взаимодействие между его отдельными элементами.
Для обеспечения высокой экономичности (длительного времени работы от схемы питания 3) микропроцессор 2 большую часть времени находится в режиме пониженного энергопотребления (спящем режиме) и только на короткое время активизируется, подает команду на включение газового сенсора 1, считывает измеренные им параметры, производит вычисления и при необходимости активизирует работу радиомодема 4, звукового излучателя 6 и светового сигнализатора 7, которые до этого также были отключены от питания или находились в режимах пониженного энергопотребления. Если превышения порога не обнаружено, то периодически (в соответствии с алгоритмом работы радиомодема) производится передача радиомодемом контрольного сигнала, несущего информацию о работоспособности сигнализатора загазованности (допустим температуры и напряжения схемы питания) и наличия его в беспроводной сети.
Возможность реализации заявляемых технических решений обосновывается указанием на конкретные типы элементов.
Газовый сенсор 1 может быть малогабаритным измерительным преобразователем взрывоопасных газов МИП ВГ-02-Х-Х (http://www.optosense.ru/assets/files/PDF/RE-MIPEX-02-V1-28.pdf), включающим в себя инфракрасный светодиод, приемники опорного и измерительного каналов, усилители сигналов, стабилизатор питания и микроконтроллер. Малогабаритный измерительный преобразователь взрывоопасных газов МИП ВГ-02-Х-Х применяется в стационарных газоанализаторах горючих газов (например, ИГМ-10). Датчик выдает значение концентрации измеряемого газа в цифровой форме по последовательному интерфейсу UART. Датчик имеет искробезопасное исполнение с маркировкой 0Ех ia IIBT6 U и подключается по искробезопасным цепям.
В качестве микропроцессора 2 может использоваться энергоэкономичный микропроцессор, например, серии MSP430×11×2 [http://www.ti.com/lit/ds/slas361d/slas361d.pdf], или MSP432P401R [http://www.ti.com/lit/ds/symlink/msp432p401r.pdf].
Схема питания 3 может представлять собой незаряжаемую батарею большой емкости, например литий-тионил хлоридный Li-SOCl2 элемент ER34615M-FT (предназначен для долговременной работы с небольшим потреблением тока, хранение до 10 лет, саморазряд <1% в год, номинальное напряжение 3,6 В, номинальная емкость 19 Ач, стандартный разрядный ток 2 мА, максимальный продолжительный ток разряда 230 мА, максимальный импульсный ток разряда 500 мА, размер ∅34×60,5 мм, вес 118 г) [http://www.expertcen.ru/offer/offer_67137.html]. В качестве схемы питания может использоваться аккумулятор с зарядом от солнечной батареи. Аккумулятор может быть любым, обеспечивающем работу в требуемом температурном диапазоне и имеющим необходимые напряжение и емкость. Например, аккумулятор LiFePO4 ANR26650M1-B (номинальная емкость 2,5 А⋅ч, номинальное напряжение 3,3 В, внутреннее сопротивление 6 мОм, количество циклов заряд/разряд >1000, размер ∅26×65 мм, вес 76 г) [http://lr6.ru/akkumuljatory/promyshlennye-akkumuljatory/akkumurjator-li-fe/3211]. Солнечная батарея может состоять из кремниевых солнечных элементов, например размером 52×19 мм (рабочее напряжение 0,5 В, максимальный рабочий ток 0,28 А, ток короткого замыкания 0,32 А, максимальная мощность 0,14 Вт) [http://mobilesolar.ru/products/8966789]. Для стабилизации выходных напряжений схемы питания 3 могут использоваться любые импульсные стабилизирующие преобразователи напряжения с высоким кпд, например, преобразователь LTC3525-3,3 (входное напряжение 0,85-3,3 В, максимальный выходной ток 0,45 А, кпд 85-95% при выходном токе 1-10 мА) [http://datasheet.elcodis.com/pdf/63/93/639300/ltc3525esc6-3pbf.pdf].
В качестве радиомодема 4 может использоваться любой радиомодем, обеспечивающий работу в выбранном (допустим нелицензируемом 433 МГц) диапазоне частот, например, TE-CC430F51-433 (питающее напряжение 1,8-3,6 В, выходная мощность до 12 дБм, диапазон рабочих частот 433 МГц) [http://188.124.224.67/modules/te-cc430f51-433/rukovodstvo_te-cc430f51-433.pdf].
Аэродинамическая труба 5 представляет собой вертикальную трубу диаметром, большим диаметра газового сенсора, причем верхняя половина трубы выполнена из черненого металла с хорошей теплопроводностью, а нижняя из негорючего диэлектрика с плохой теплопроводностью. В верхней части трубы присутствуют несколько отверстий общей площадью, близкой к площади внутреннего отверстия верхней части трубы.
F
v
F
Звуковой излучатель 6 и световой сигнализатор 7 могут быть реализованы на основе единого оповещателя светозвукового искробезопасного «Гамма-01 ОСЗ-И» [http://www.npo-pas.com/PDFGamma/OS/PAS118_OSZI.pdf], или выполнены на основе отдельных преобразователей, например, пьезоэлектрических излучателей Иволга ПКИ-1 [htrps://hran.im/pozhamaya-ohrana/izveslmateli/zvukovye-opoveshhateli.html] и сверхярких светодиодов, например, ARPL-1W3W-EPL42 красного цвета длиной волны 640-660 нм, мощностью 3 Вт, I=700 мА, Ф=75-85 лм, V=2.4-2.8 В, угол 140° [http://www.transistor.ru/catalog/leds/280/].