Счетчик газовый бытовой катастрофоупреждающий
HOUSEHOLD GAS CATASTROPHE COUNTER

Изобретение относится к области контроля параметров газовой среды, а также к области управления и регулирования и предназначено для определения объема потребляемого газа с прекращением подачи газа при определении наличия в воздухе помещения эксплуатации углеводородных газов, токсичных продуктов их сгорания или при приеме сигналов от беспроводных внешних датчиков, с выдачей как индивидуального свето-звукового оповещения, так и дистанционного оповещения с использованием беспроводной сотовой сети с трансляцией оповещения через SMS и сеть tcp/ip.
Область применения:
- предотвращения несчастных случаев при эксплуатации газоиспользующего оборудования квартирах и индивидуальных домах, общежитиях и гостиницах;
- контроль безопасности воздуха для человека в местах расположения газоиспользующего бытового отопительного оборудования;
- управление газоснабжением в многоквартирных домах, индивидуальных жилых строениях и на предприятиях путем дистанционного отключения в случае необходимости.
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 неправильная эксплуатация газоиспользующего оборудования или поломка газопотребляющих устройств 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.
Эксплуатация систем автономного поквартирного отопления в многоквартирных домах и газовых котлов в индивидуальных коттеджах, требует непрерывного контроля за работой газового оборудования, поскольку в процессе эксплуатации возможен задув пламени горелки, что может привести к утечке газа с вероятностью последующего взрыва, или к нарушению газоотведения, что может привести к появлению и накоплению в жилых помещениях опасных для жизни человека продуктов сгорания газа.
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 недостаточную надежность оповещения при возникновении утечек газа, что связано с последовательным соединением двух беспроводных сетей, поскольку наличие внутренней сети передачи данных от устройств первичной регистрации к радиомодему GSM приводит к снижению надежности оповещения, так как последовательное соединение сетей приводит к результирующей вероятности отказа, определяемой как произведение вероятности отказа каждой сети. Кроме того, устройство не позволяет автоматически проводить отключение подачи газа при регистрации утечки, что может приводить к несчастным случаям в момент времени от оповещения об утечки до ликвидации утечки оперативными службами.
Известно устройство для автоматического контроля метана и других горючих газов (Патент РФ N2013565 E21F 17/00, опубл. 30.05.1994), которое содержит термокаталитический мостовой датчик, в диагональ которого включен усилитель, выход последнего подключен на выпрямительный мостик, к выходу которого подключены аналоговый прибор, показывающий концентрацию метана, и преобразователь напряжения в частоту, блок управления диагностикой, компаратор предельной концентрации метана, блок звуковой сигнализации. К достоинствам данного устройства относится высокая точность определения концентрации метана, а к недостаткам - отсутствие беспроводного канала, что значительно ограничивает дистанцию оповещения, а также отсутствие возможности автоматического устранения утечки газа.
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 невозможность дистанционного оповещения об утечки газа и автоматического прекращении подачи газа при регистрации утечки.
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). Отличительной особенность данного устройства является то, что оно поддерживает связь с управляющим сервером по беспроводному каналу. К недостаткам данного устройства является то, что управляющий сервер напрямую собирает данные от измерительных устройств. Вследствие этого измерительные устройства должны быть в прямой видимости сервера. Поэтому, чтобы охватить большую территорию, необходимо увеличивать мощность передатчика, что влечет за собой увеличение потребляемой мощности и, соответственно, уменьшение времени автономной работы. В целом, это ограничивает область применения устройства. Кроме того, отсутствует возможность автоматического прекращения подачи газа при регистрации наличия газа в воздухе.
Известно устройство "сигнализатор загазованности Кенарь GD100-N" (https://t41.ru/brand/Кенарь), подключаемое соединительным проводом к электромагнитному клапану Кенарь GV-80. При срабатывании сигнализатора на электромагнитный клапан подается управляющее воздействие, которое приводит к его закрытию и прекращению газоснабжения помещения. К недостаткам данного устройства следует отнести отсутствие возможности подключения беспроводных датчиков, что не позволяет контролировать состав воздуха в жилых помещениях с поквартирным отоплением и индивидуальных жилых строениях, в которых ввод газа, кухня и котельная расположены в разных местах помещения.
Наиболее близким к описываемому является портативное интеллектуальное устройство мониторинга окружающей среды, известное из источника CN205785300U, опубликованное 23.05.2016, раскрывающего устройство для анализа параметров воздуха среды обитания человека с беспроводным оповещением, содержащее: микроконтроллер, блок питания, модуль подключения к мобильной сотовой сети, датчик газов, датчик температуры, датчик влажности, свето-звуковой оповещатель, резервный аккумулятор, причем устройство содержит в одном корпусе измерительные датчики газов, температуры, влажности, микроконтроллер, программное обеспечение которого обеспечивает непрерывную регистрацию и анализ параметров воздуха с периодической передачей пакетов информации с показаниями датчиков по протоколу tcp/ip через беспроводную мобильную сотовую сеть на заранее заданные серверы, а также с автоматической отправкой короткого текстового сообщения (SMS) на заранее заданные телефонные номера, при превышении заранее установленных значений датчиков или при отключении сетевого питания устройства. К недостаткам данного устройства следует отнести невозможность предотвращения катастрофических ситуаций при превышении концентрации газов в воздухе среды обитания человека выше установленных пределов, поскольку в данном устройстве отсутствует возможность прекращения подачи газа в помещение.
Технической задачей предлагаемого устройства является учет объема поступающего газа в помещение с непрерывной регистрацией в воздухе примесей газов с использованием как встроенных датчиков газов, так и автономных беспроводных внешних датчиков газов и дыма, с автоматическим отключением газоснабжения помещения при превышении уровня газов и дыма выше установленных пределов.
Технический результат состоит в повышении уровня безопасности жизнедеятельности при эксплуатации газоиспользующего оборудования.
Сущность изобретения состоит в том, что используется стандартный газовый счетчик (газ подается через «1. Вход», проходит через прибор и выходит через «2. Выход» - см. фиг. 1), в состав которого включается отсекающее газ устройство, выполненное в виде электромагнитного газового клапана («3. Клапан» - фиг. 1), установленное на входе в стандартный блок измерения и индикации счетчика («4. Стандартный модуль измерения и индикации» - фиг. 1) и устройство управления (5. УУ - фиг. 1). В состав устройства управления входит блок питания, обеспечивающий питание устройства от автономного и (или) внешнего источника питания, микроконтроллер, датчик газов, транзисторный ключ, модуль GSM, модуль радиоприема с частотой 433 МГц. В процессе работы микроконтроллер непрерывно анализирует сигнал от датчика газов и сигналы от внешних беспроводных датчиков газа и дыма. При превышении установленных пределов микроконтроллер посылает управляющий сигнал на электромагнитный клапан, что приводит к его закрытию и прекращению газоснабжения помещения.
Технический результат достигается за счет того, что в состав газового счетчика включается электромагнитный клапан, установленный на вход измерителя счетчика и устройство управления, обеспечивающее анализ встроенного датчика газов, прием сигналов от внешних беспроводных датчиков и, при превышении допустимого уровня газов и дыма, обеспечивающее беспроводное оповещение, отсечку подачи газа и, как следствие, повышение уровня безопасности жизнедеятельности при эксплуатации газоиспользующего оборудования. Кроме того, устройство производит оповещение владельца жилища и (или) специальных служб, что позволяет дополнительно повысить уровень безопасности жизнедеятельности, устранить угрозу возгорания, взрыва и отравления за счет своевременного оповещения ответственных лиц.
Структурная схема устройства управления показана на фиг. 2. В состав устройства входит блок питания «6.БП»), обеспечивающий питание микроконтроллера 7.MCU и его периферии, аккумулятор («8.Аккум.»), обеспечивающий независимое питание, GSM модуль («9.GSM модуль»), свето-звуковой оповещатель («10. Оповещатель»), датчик газов («11.Д1»), приемник радиоканала 433 МГц («12. Приемник 433 МГц»), преобразователь напряжения ("13. ПН"), транзисторный ключ (14. ТК2).
Питание устройства осуществляется блоком питания «6.БП», в качестве которого может выступать любое стандартное зарядное устройство мобильного телефона, обеспечивающее преобразование сетевого напряжения в напряжение питания 3-5 Вольт. Параллельно блоку питания подключается аккумулятор («8.Аккум»), в функции которого входит автономное обеспечение энергопитания устройства при обесточивании блока питания, что позволяет с одной стороны, обеспечить бесперебойную работу устройства при неполадках питающей энергосети, с другой стороны - использовать функцию извещения пользователя при отключения питания.
Датчик газов «11.Д1» подключен, через управляемый со стороны микроконтроллера транзисторный ключ «15.ТК1», что позволяет управлять включением и отключением датчика газов программным обеспечением микроконтроллера. Сигнал датчика поступает на встроенный в микроконтроллер аналого-цифровой преобразователь. Программное обеспечение микроконтроллера обеспечивает постоянное включение датчика газов при наличии внешнего питания или кратковременное, периодическое подключение датчика газа при питании от аккумулятора или батареи. В качестве микроконтроллера может использоваться Atmega 328р, Atmega 128р, PIC16 и другие. В качестве датчика газов - полупроводниковый газовый сенсор с чувствительным элементом на основе диоксида олова, например, датчик углеводородных газов широкого спектра MQ2.
Последовательный UART интерфейс микроконтроллера подключен к GSM модулю, в качестве которого может выступать микросборка SIM800L, с установленным отсеком для SIM-карты формата microSIM, что позволяет принимать и совершать телефонные вызовы, обмениваться короткими текстовыми сообщениями и использовать мобильную сеть GSM для подключения сети интернет.
При первом включении устройства требуется отправить короткое текстовое сообщение нулевой или единичной длинны на SIM-карту GSM модуля. Программное обеспечение микроконтроллера, получив данное сообщение, выделяет из него номер телефона и сохраняет в своей энергонезависимой памяти как номер телефона для SMS оповещений. Предусматривается возможность задания дополнительных номеров путем посылки SMS сообщения определенного формата на SIM-карту устройства, что позволяет сохранить необходимое количество телефонных номеров для SMS оповещений в энергонезависимой памяти микроконтроллера. При изготовлении устройства в энергонезависимую память микроконтроллера заблаговременно заносится доменное имя сервера или его ip адрес и порт для передачи данных по протоколу tcp/ip. В дальнейшем предусматривается возможность изменения доменного имени и порта посылкой на SIM-карту устройства SMS определенного формата.
Устройство управления содержит в своем составе интерфейс радиоканала частотой 433 МГц, обеспечивающий прием информации от стандартных беспроводных датчиков углеводородов, угарного газа, дыма. В качестве интерфейса выступает микросборка приемника радиомодуля WL101-341, которая обеспечивает передачу информации в микроконтроллер по последовательному протоколу "1-wire".
В состав устройства управления включен модуль преобразования напряжения «13. ПН» (фиг. 2), в функции которого входит преобразование напряжения аккумулятора или блока питания до уровня, достаточного для управления электромагнитным клапаном. Выход модуля подключен к транзисторному ключу «14.ТК2» (фиг. 2), который управляется со стороны микроконтроллера. В качестве модуля преобразователя напряжения может использоваться микросборка МТ3608, выполняющая функции преобразователя постоянного напряжения с настраиваемым выходом до 36 В.
Модуль «10. Оповещатель» (фиг. 2) представляет собой миниатюрный звуковой динамик с параллельно подключенным светодиодом. В функции данного модуля входит задача выработки свето-звуковых оповещательных сигналов при поступлении управляющего сигнала с микроконтроллера. В качестве оповещателя может использоваться модуль пассивного зуммера KY-006.
В процессе работы микроконтроллера его программное обеспечение непрерывно анализирует показание датчика «11. Д1» (фиг. 2), сравнивая его со значением из допустимого диапазона. Кроме того, производится прием информации от радиомодуля 433 МГц с поиском кодов внешних беспроводных датчиков газов, хранимых в постоянной памяти микроконтроллера (ППЗУ). Если показание датчика «11.Д1» (фиг. 2) превышает допустимый диапазон или приходит сигнал от внешнего беспроводного датчика, код которого совпадает с кодом, хранимым в ППЗУ, устройство управления («5. УУ» - фиг. 1) переходит в состояние тревоги, что приводит к следующим действиям:
- микроконтроллером вырабатывается управляющее напряжение, что приводит к открытию транзисторного ключа «14. ТК2» (фиг. 2) и поступлению напряжения с модуля «13. ПН» на внешний стандартный газовый электромагнитный клапан, приводя к его запиранию и прекращению поступления потока газа на вход модуля « 4. Стандартный блок измерения и индикации счетчика» (Фиг. 1), и, как следствие, прекращается газоснабжение в помещении.
- активизация свето-звукового оповещателя;
- программное обеспечение микроконтроллера готовит текстовое сообщение, включающее в себя информацию о событии, и производится отправка текстового сообщения на мобильные номера, хранимые в энергонезависимой памяти микроконтроллера с использованием GSM модуля;
- микроконтроллер производит набор каждого телефонного номера и ожидает установления соединения (наличие гудков), чтобы удостовериться, что оповещения доставлены успешно;
- с использованием протокола tcp/ip осуществляется отправка пакета данных, который содержит код тревоги, номер датчика, параметры которого вышли за заданные пределы и прочую информацию.
Если показание датчика «11. Д1» (фиг. 2) не превышает допустимого предела, и если отсутствуют сигналы от внешних беспроводных датчиков, то цикл измерения повторяется. По истечении интервала времени, хранимого в энергонезависимой памяти микроконтроллера, производится отправка значений датчика на сервер по протоколу tcp/ip. Это позволяет контролировать работоспособность устройства на стороне внешнего сервера, регистрировать факт разрыва связи с устройством, а также проводить удаленный мониторинг параметров воздуха среды обитания человека.
Для расширения диапазона детектирования газового состава воздуха могут быть дополнительно к датчику «11. Д1» установлены датчики Д2, Д3 и т.д.
Если произвести звонок с мобильного телефона на SIM-карту устройства, это приводит к следующим действиям:
- микроконтроллер производит чтение сообщения «9. GSM модуля» (фиг. 2) о входящем звонке и выделяет номер телефона, с которого произошел звонок;
- микроконтроллер посылает в «9. GSM модуль» команду отклонить вызов;
- микроконтроллер готовит и отправляет текстовое сообщение SMS, которое включает в себя численные значения датчика «11. Д1».
При отправке на SIM карту устройства короткого текстового сообщения заранее заданного формата или при получении устройством команды от внешнего сервера по протоколу tcp/ip микроконтроллер производит выработку управляющего сигнала для электромагнитного клапана, что приводит к его закрытию и прекращению газоснабжения помещения. Это позволяет дистанционно управлять процессом газоснабжения, что дополнительно приводит к увеличению безопасности путем экстренного отключения газоснабжения.
В устройстве предусмотрена возможность установки дополнительного GSM модуля с SIM картой резервного оператора связи, при этом дополнительный модуль подключается параллельно основному и выполняет дублирование передачи входной и выходной информации.
В качестве электромагнитного клапана предлагается использовать такие устройства, как Btcino L4525, газовый клапан отсекатель Кенарь GV-80, газовый клапан Sapsan V-1 и другие.