СИГНАЛИЗАТОР ЗАГАЗОВАННОСТИ

Полезная модель относится к системам сигнализации, а именно к стационарным устройствам для непрерывного автоматического контроля загазованности, реагирующих избирательно на конкретный газ, и информирующих о концентрации в частности оксида углерода или природного газа, и предназначена для выдачи световой и звуковой сигнализации о превышении установленных пороговых значений массовой концентрации оксида углерода или довзрывоопасной концентрации горючих газов (метана) в воздухе рабочей зоны жилых и производственных помещений и формирования управляющего сигнала для включения/отключения исполнительных устройств или перекрытия трубопровода подачи газа при возникновении аварийной ситуации.
Известен сигнализатор загазованности, состоящий из пульта управления, к которому при помощи проводной линии связи с топологией «общая шина» подключен, по крайней мере, один датчик газа, содержащий чувствительный элемент, на который поступает воздух, концентрация горючего газа в котором измеряется, а при настройке и проверке датчика из газонаполнительного баллона с устройством для дозированной подачи смеси и газовым редуктором подается поверочная газовая смесь, и электрический сигнал с которого поступает на устройство, формирующее на выходе сигнал, несущий информацию, отображающуюся на пульте управления сигнализатора, при этом газонаполнительный баллон с управляемым устройством для автоматической дозированной подачи поверочной газовой смеси, газовым редуктором и реакционной камерой встроены в датчик газа, который дополнительно оснащен микроконтроллером, осуществляющим выборку значения амплитуды выходного сигнала чувствительного элемента датчика газа во времени и дискретизацию его по уровню, последующее преобразование амплитуды сигнала в цифровые значения измеренной концентрации горючего газа, а при проверке и настройке датчика - формирование управляющего сигнала для дозированной подачи поверочной газовой смеси из газонаполнительного баллона, нормированное усиление выходного сигнала чувствительного элемента датчика газа и сравнение его с пороговым значением, настройку «нуля» и корректировку чувствительности датчика газа, с последующим отображением на пульте управления сигнализатора численного значения измеренной концентрации горючего газа, времени и даты проведения проверки и настройки датчика газа, текущего значения настроечных параметров датчика (см. патент РФ на полезную модель №46597, МПК G08B 21/16, опубл. 10.07.2005 г.).
Для функционирования известного сигнализатора загазованности необходимо как минимум два устройства: пульт управления и датчик газа. Наличие баллонов с калибровочными смесями значительно увеличивает стоимость оборудования и усложняет процесс эксплуатации. Тем более, сигнализатор, как средство измерений, необходимо предоставлять на ежегодную поверку в государственные органы по стандартизации. Кроме того, при работе в системах контроля загазованности необходимо постоянное присутствие оператора, так как нет возможности встроить сигнализатор в системы автоматики. Это усложняет эксплуатацию сигнализатора.
Известно также устройство для определения концентрации горючих газов в кислородосодержащей среде, включающее термокаталитический элемент, размещенный в измерительной камере, генератор, контроллер и блок отображения информации, причем выход термокаталитического элемента соединен с первым входом контроллера, первый выход которого соединен с блоком отображения информации, а второй выход соединен со входом генератора, выход которого соединен со входом термокаталитического элемента, при этом выход генератора соединен со входом термокаталитического элемента через резистор, сопротивление которого Rэ находится в пределах от 0,5 до 1000 Ом, при этом выход генератора дополнительно соединен со вторым входом контроллера (см. патент РФ на изобретение №2199113, МПК G01N 27/16, опубл. 20.02.2003 г.).
Однако эксплуатацию известного устройства для определения концентрации горючих газов усложняет необходимость экспериментально вычислять значение коэффициента К, отражающего свойства конкретного термокаталитического элемента, и настраивать микроконтроллер путем ввода в него значений этого коэффициента и интервалов импульсов. Кроме этого, в известном устройстве отсутствует автоматическая термокоррекция. Поэтому при изменении температуры эксплуатации для введения поправки необходимо дополнительное оборудование (термометр) и экспериментальное вычисление коэффициента поправки. Определяемые горючие газы имеют разные физические свойства, следовательно, невозможно определить место установки для скорейшего определения опасных концентраций (у потолка для газов легче воздуха или у пола для газов тяжелее воздуха). Это снижает надежность и точность измерений, а также функциональные возможности известного устройства для определения концентрации горючих газов.
Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является известное устройство контроля загазованности помещений, включающее сигнализатор, состоящий из термокаталитического датчика газа, блока звуковой и световой сигнализации, блока управления внешней цепи, соединенных последовательно, блок автоматического отключения подачи газа, схему управления этим блоком, вход которой подсоединен к выходу блока управления внешней цепи, а выход - к входу блока автоматического отключения подачи газа и блок питания, при этом в устройство дополнительно введен стабилизатор напряжения, вход которого соединен с выходом блока питания, а выход - с входами термокаталитического датчика газа, блока звуковой и световой сигнализации, блока управления внешней цепи и схемы управления блоком автоматического отключения подачи газа, при этом стабилизатор напряжения размещен в корпусе сигнализатора (см. патент РФ на полезную модель №33247, МПК G08B 17/10, опубл. 10.10.2003 г.).
В известном устройстве контроля загазованности помещений также отсутствует автоматическая термокоррекция. Это снижает надежность и точность измерений, а также функциональные возможности устройства контроля загазованности, усложняет его эксплуатацию.
Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей сигнализатора загазованности, а также повышение удобства его монтажа и эксплуатации.
Техническим результатом, достигаемым при решении поставленной задачи, является повышение надежности и точности измерений за счет автоматического получения, формирования и регистрации служебной информации, а также автоматического контроля и оповещения об аварийном состоянии загазованности помещений.
Указанный технический результат достигается тем, что в сигнализатор загазованности, содержащий термокаталитический датчик значений концентрации газа, блок звуковой сигнализации, блок световой сигнализации, блок питания, согласно полезной модели, дополнительно введены блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микропроцессора, вычислительный блок микропроцессора, датчик температуры, подсистема связи, подсистема управления клапаном, органы управления кнопки калибровки, органы управления подсистемой установки адреса, при этом выход датчика значений концентрации газа соединен с первым каналом блока АЦП, выход датчика температуры соединен со вторым каналом блока АЦП, выход блока АЦП соединен с первым входом вычислительного блока, органы управления кнопки калибровки соединены со вторым входом вычислительного блока, органы управления подсистемой установки адреса соединены с третьим входом вычислительного блока, первый выход вычислительного блока соединен с входом блока звуковой сигнализации, второй выход вычислительного блока соединен с входом блока световой сигнализации, первый выход подсистемы связи соединен с четвертым входом вычислительного блока, третий выход вычислительного блока соединен с первым входом подсистемы связи, первый выход подсистемы управления клапаном соединен с пятым входом вычислительного блока, четвертый выход вычислительного блока соединен с первым входом подсистемы управления клапаном, первый выход блока питания соединен с вычислительным блоком, блоком звуковой сигнализации, блоком световой сигнализации и подсистемой связи, второй выход блока питания соединен с подсистемой управления клапаном, причем подсистема связи снабжена входом и выходом для подключения внешних устройств, подсистема управления клапаном снабжена входом и выходом для подключения клапана.
Целесообразно, чтобы в качестве термокаталитического датчика значений концентрации газа был использован датчик угарного газа или датчик природного газа.
Целесообразно также, чтобы входы и выходы подсистемы связи были снабжены розетками RJ-12, а входы и выходы подсистемы управления клапаном - розетками RJ-45.
Введение вычислительного блока микропроцессора и датчика температуры позволяет проводить термокоррекцию значений датчика газа, что расширяет температурный диапазон условий эксплуатации сигнализатора загазованности.
Введение подсистемы связи позволяет объединять несколько сигнализаторов в систему автономного контроля загазованности, которая может контролировать большую площадь. При этом блок автоматического отключения подачи газа (электромагнитный клапан) остается один. Он перекроет подачу газа при срабатывании любого из сигнализаторов системы автономного контроля. В одну систему можно объединять как сигнализаторы загазованности природным газом, так и оксидом углерода. С помощью подсистемы связи также можно подключать различное дополнительное оборудование: выносные контрольные пульты, блоки реле для управления дополнительным оборудованием, радиомодули для удаленного мониторинга и др. Для этого сигнализатор загазованности оснащен розетками RJ-12, что значительно упрощает монтаж изделий.
Функциональные возможности сигнализатора расширяются за счет автоматической термокоррекции, наличия подсистемы связи (возможности объединения в сеть, подключения дополнительного оборудования, работы в системах автоматики).
Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема сигнализатора загазованности. Позиции на чертеже обозначают следующее: 1 - термокаталитический датчик значений концентрации газа (содержащий чувствительный элемент); 2 - датчик температуры; 3 - блок звуковой сигнализации; 4 - блок световой сигнализации (содержащий верхний светодиодный индикатор и нижний светодиодный индикатор); 5 - блок аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микропроцессора; 6 - вычислительный блок микропроцессора; 7 - подсистема связи; 8 - подсистема управления электромагнитным клапаном; 9 - органы управления кнопки калибровки; 10 - органы управления подсистемой установки адреса; 11 - блок питания.
На чертеже тонкими линиями показаны цепи питания, остальные -управляющие сигналы и информационные сообщения или сигналы.
Сигнализатор загазованности содержит термокаталитический датчик значений концентрации газа 1, реагирующий на конкретный газ, датчик температуры 2, блок 3 звуковой сигнализации, блок 4 световой сигнализации, блок 5 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) микропроцессора, вычислительный блок 6 микропроцессора, подсистему связи 7, подсистему управления 8 электромагнитным клапаном, органы управления 9 кнопки калибровки, органы управления 10 подсистемой установки адреса, блок питания 11.
Выход датчика значений концентрации газа 1 соединен с первым каналом блока 5 АЦП. Выход датчика температуры 2 соединен со вторым каналом блока 5 АЦП, выход блока 5 АЦП соединен с первым входом вычислительного блока 6. Органы управления 9 кнопки калибровки соединены со вторым входом вычислительного блока 6. Органы управления 10 подсистемой установки адреса соединены с третьим входом вычислительного блока 6, первый выход вычислительного блока 6 соединен с входом блока 3 звуковой сигнализации, второй выход вычислительного блока 6 соединен с входом блока 4 световой сигнализации. Первый выход подсистемы связи 7 соединен с четвертым входом вычислительного блока 6, третий выход вычислительного блока 6 соединен с первым входом подсистемы связи 7. Первый выход подсистемы управления 8 клапаном соединен с пятым входом вычислительного блока 6, четвертый выход вычислительного блока 6 соединен с первым входом подсистемы управления 8 клапаном. Первый выход блока питания 11 соединен с вычислительным блоком 6, блоком 3 звуковой сигнализации, блоком 4 световой сигнализации и подсистемой связи 7. Второй выход блока питания 11 соединен с подсистемой управления 8 клапаном. Подсистема связи 7 снабжена входом и выходом с розетками RJ-12 для подключения внешних устройств. Подсистема управления 8 клапаном снабжена входом и выходом с розетками RJ-45 для подключения электромагнитного клапана.
Предлагаемый сигнализатор загазованности может быть реализован промышленным путем на базе известных элементов и блоков, а также на выпускаемых серийно комплектующих. Например, в конкретном примере в качестве термокаталитического датчика значений концентрации угарного газа (оксида углерода) может быть использован датчик TGS2442 (изготовитель фирма Figaro Engineering Inc., Япония). В качестве термокаталитического датчика значений концентрации природного газа (метана) может быть использован, например, датчик TGS2611 (изготовитель фирма Figaro Engineering Inc., Япония) (см., например, Интернет-сайт, режим доступа: http://www.platan.ru/article/paper.pdf).
В качестве датчика температуры может быть использован линейный преобразователь температуры в напряжения, например, микросхема TC1047AVNB (изготовитель фирма Microchip Technology Inc., США).
Блок звуковой сигнализации представляет собой электромагнитный буззер, который издает звуковой сигнал при подаче напряжения 5 В, например, динамик ХСМS12С2305РХ. (изготовитель фирма JL WORLD Company Limited, Гонконг).
Блок световой сигнализации представляет собой два двухцветных светодиода (красный и зеленый цвет свечения) с возможностью получения оранжевого цвета свечения путем смешения цветов, например, светодиод FYL-25A9EGW1B-CC (изготовитель фирма Foryard Optoelectronics Company Limited, Китай).
Вычислительный блок процессора и АЦП процессора - внутренние блоки микроконтроллера PIC18F2520 (изготовитель фирма Microchip Technology Inc., США).
Подсистема связи представляет собой связку модуля универсального синхронного асинхронного передатчика приемника (USART), который представляет собой внутренний блок микроконтроллера, и микросхемы преобразования интерфейса RS-232 в RS485. Микросхема преобразования в RS485 - ADM485ARZ (изготовитель фирма Analog Devices Inc., США).
Подсистема управления клапаном представляет собой электрическую схему закрытия электромагнитного клапана, состоящую из: двух транзисторов, элемента накопления заряда - конденсатора, а также электрические схемы для отслеживания обрыва клапана и положения клапана (открыт/закрыт).
Органы управления кнопки калибровки представляют собой три тактовые кнопки TS-A1PV-130 (изготовитель фирма Wealth Metal Factory Limited, Китай).
Органы управления подсистемой установки адреса представляют собой DIP-переключатель (HDS8) для установки адреса. Адрес, установленный DIP-переключателем, преобразуется в последовательный код параллельно-последовательным сдвиговым регистром 74HC165D.
Блок питания представляет собой трансформатор ТП321-6, преобразующий переменное напряжение 220 В в переменное напряжения 26 В, двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой, и два преобразователя постоянного напряжения MC33063AD, преобразующие переменное напряжение 26 В в постоянные напряжения 5 В и 40 В. Блок питания имеет вход для подключения к источнику питания переменного напряжения 220 В.
Сигнализатор загазованности конструктивно выполнен одноблочным, в пластмассовом корпусе. На передней крышке расположены светодиодные индикаторы, вентиляционные отверстия, предназначенные для охлаждения сигнализатора и доступа окружающего воздуха (измеряемой среды) к датчику газа. Внутри корпуса закреплена печатная плата с расположенными на ней электронными элементами, кнопками калибровки уровней «Порог 1» (П1) и «Порог 2» (П2). На нижнюю торцевую часть корпуса сигнализатора выведены разъем управляющего выходного сигнала закрытием клапана и разъемы (два разъема) интерфейса RS-485 для подключения дополнительного оборудования.
Тип сигнализатора загазованности - стационарный, автоматический, одноканальный. Режим работы - непрерывный.
Сигнализатор загазованности природным газом или оксидом углерода (СО) предназначен для:
- непрерывного автоматического контроля содержания природного газа (по ГОСТ 5542) или оксида углерода (СО) в воздухе помещений потребителей газа;
- выдачи светового и звукового сигнала в случае возникновения в контролируемом помещении концентраций газа, соответствующих сигнальным уровням «Порог 1», «Порог 2»;
- выдачи сигнала закрытия клапана при сигнальном уровне «Порог 2»;
- выдачи сигналов аварии на диспетчерский пульт; выполнения всех перечисленных функций сигнализатора от внешних датчиков.
Принцип действия сигнализатора загазованности основан на преобразовании с помощью термокаталитического датчика значений концентрации газа в напряжение, пропорциональное содержанию определяемого компонента в воздухе, сравнении полученного напряжения с заданными напряжениями, соответствующими пороговым уровням загазованности и выработку звуковых, световых и управляющих сигналов в соответствии с алгоритмом работы сигнализатора.
Сигнализатор загазованности работает следующим образом.
Датчик газа 1 содержит чувствительный элемент, на который при эксплуатации сигнализатора загазованности поступает воздух, в котором измеряется концентрация опасного газа. При включении сигнализатора загазованности природным газом или оксидом углерода он проходит режим самотестирования, затем режим прогрева, и выходит на рабочий режим. В этом режиме сигнализатор непрерывно контролирует концентрацию опасного газа.
В режиме прогрева, происходит прогрев чувствительного элемента. При нагреве поликристаллических оксидов металлов в датчике газа 1, молекулы кислорода адсорбируются на поверхности этих оксидов и значительно увеличивают сопротивление датчика газа 1. Появление восстанавливающего газа (метана или оксида углерода) уменьшает его. Таким образом, концентрация газа переводится в электрический сигнал и подается на первый канал блока 5 аналого-цифрового преобразователя микропроцессора. На второй канал подается сигнал с датчика температуры 2. Вычислительный блок 6 микропроцессора выполняет температурную коррекцию значений, полученных с датчика газа 1 и сравнивает его с двумя значениями соответствующим концентрациям «Порог 1» и «Порог 2». Значения «Порог 1» и «Порог 2» внесены в память микропроцессора заранее при его калибровке с помощью эталонных газовых смесей.
Если текущее значение концентрации газа выше значение «Порог 1», но ниже значения «Порог 2» сигнализатор выдает прерывистый звуковой сигнал и прерывистый световой сигнал (верхний светодиодный индикатор блока 4 мигает красным светом). Также с помощью подсистемы связи 7 сигнализатор выдает информационное сообщение о пороге загазованности на другие устройства (пульты контрольные, блоки реле, блок управления питанием и сигнализацией), которые могут быть присоединены к сигнализатору загазованности с помощью розеток RJ-12, что значительно упрощает монтаж изделий. Используется интерфейс связи RS-485 и 2-х байтный 9-и битный протокол.
Если текущее значение концентрации газа выше значение «Порог 2», сигнализатор выдает прерывистый звуковой сигнал и непрерывный световой сигнал (верхний светодиодный индикатор блока 4 горит красным светом). Далее сигнализатор осуществляет закрытие клапана запорного газового с электромагнитным приводом, например, типа КЗГЭМ, или аналогичного. Также с помощью подсистемы связи 7 сигнализатор выдает информационное сообщение о пороге загазованности на другие устройства (пульты контрольные, блоки реле, блок управления питанием и сигнализацией),
Если происходит обрыв катушки электромагнитного клапана запорного газового с электромагнитным приводом, например, типа КЗГЭМ или аналогичного, или кабеля соединительного «СИГНАЛИЗАТОР-КЛАПАН», сигнализатор выдает непрерывный звуковой сигнал и непрерывный световой сигнал (нижний светодиодный индикатор блока 4 горит красным светом).
В случае выхода из строя датчика газа 1 (чувствительного элемента), сигнализатор выдает прерывистый звуковой сигнал и непрерывный световой сигнал (верхний светодиодный индикатор блока 4 горит желтым светом).
Сигнализатор осуществляет световую индикацию положения клапана (при наличии датчика положения в клапане): клапан открыт - зеленый цвет свечения нижнего светодиодного индикатора блока 4; клапан закрыт - желтый цвет свечения нижнего светодиодного индикатора блока 4 сигнализатора.
Если происходит обрыв межблочного соединительного кабеля (только для сигнализаторов с адресом «0», при условии работы сигнализаторов в составе системы автономного контроля загазованности, состоящей, по крайней мере, из двух и более сигнализаторов, сигнализатор выдает непрерывный звуковой сигнал и прерывистое свечение нижнего светодиодного индикатора блока 4, цвет свечения желтый или зеленый в зависимости от состояния клапана запорного газового с электромагнитным приводом типа КЗГЭМ или аналогичного.
Интерфейс связи RS-485 - полудуплексный интерфейс. Прием и передача идут по одной паре проводов с разделением по времени. В сети может быть много передатчиков, так как они могут отключаться в режиме приема. При объединении сигнализаторов в сеть (по RS-485), каждому сигнализатору присваивается адрес (уникальный для каждого сигнализатора внутри одной сети, выставляется вручную с помощью микропереключателей). В сети обязательно должен присутствовать сигнализатор с адресом «0» (за исключением случаев с использованием дополнительного оборудования). Такой сигнализатор будет условно называться «ведущим», именно к нему подключается клапан, и именно он управляет разделением времени для приема и передачи RS-485. Относительно него все остальные сигнализаторы называются «внешними». Ведущим или внешним может быть любой сигнализатор.
2
Сигнализатор загазованности природным газом должен устанавливаться в месте наиболее вероятного скопления природного газа на расстоянии от газового прибора не менее 1 м и на расстоянии от потолка от 10 до 30 см. При наличии нескольких мест скопления газа необходимо устанавливать соответствующее число дополнительных датчиков сигнализатора; сигнализатор загазованности оксидом углерода должен устанавливаться в месте наиболее вероятного скопления оксида углерода, на расстоянии от газового прибора не менее 1 м и на высоте от пола от 1,5 до 1,8 м, в рабочей зоне оператора. Не ближе 2 м от места подачи приточного воздуха и открытых форточек из расчета - один сигнализатор на 200 м помещения в соответствии с РД-12-341-00 «Инструкция по контролю за содержанием окиси углерода в помещениях котельной».
В контролируемых помещениях: содержание коррозионно-активных агентов не должно превышать норм, установленных для атмосферы типа I ГОСТ 15150-69; не допускается присутствие агрессивных ароматических веществ (кислоты, лаки, растворители, светлые нефтепродукты), должна быть гарантирована защита сигнализаторов от прямого солнечного излучения и находящихся рядом источников тепла.
2
Клапан запорный газовый предназначен для использования в качестве запорного устройства трубопроводных магистралей и газогорелочных устройств с рабочей средой в виде природного газа или воздуха с давлением до 0,3 МПа (до 3,0 кгс/см). Вид климатического исполнения - УХЛ 4.2 по ГОСТ 15150-69. В помещении, в котором будет эксплуатироваться клапан: содержание коррозионно-активных агентов не должно превышать норм, установленных для атмосферы типа 1 ГОСТ 15150-69; должны отсутствовать агрессивные ароматические вещества (кислоты, лаки, растворители, светлые нефтепродукты).
При аварии внешнего датчика, «ведущий» сигнализатор выдает прерывистый звуковой сигнал и попеременное подсвечивание верхнего светодиодного индикатора красным и желтым светом.
Если происходит отключение питания сигнализатора, то сигнализатор закрывает клапан запорный газовый с электромагнитным приводом типа КЗГЭМ или аналогичный, установленный в качестве запорного устройства на трубопроводных магистралях. Клапан запорный газовый с электромагнитным приводом типа КЗГЭМ подключается непосредственно к сигнализатору загазованности.