УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ОПАСНЫХ ГАЗОВ
DEVICE FOR MONITORING CONCENTRATION OF DANGEROUS GASES

4
2
Предлагаемое устройство относится к средствам контроля атмосферы и предназначено для мониторинга окружающей среды, в частности для автоматического непрерывного контроля концентрации горючих газов (метана - CH, кислорода O и угарного газа - CO) в жилых, коммунальных и производственных помещениях с целью обнаружение превышения допустимых концентраций и своевременного принятия эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности.
Известные устройства для контроля концентрации опасных газов (авторские свидетельства СССР №1500797, 1744625; патенты РФ №2013565, 2096776, 2131601, 2161785, 2171468, 2199113, 2209419, 2253108; патенты США №№4028057, 4476096, 5798945, 6229449, 6600424, 6741174, 6856253, 6940410; патент Германии №4412447; патенты Японии №№3642242, 3700379; Карпов Е.Ф. и др. «Авторская газовая защита и контроль рудничной атмосферы. - М.: Недра, 1984, с.101-109 и другие).
Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому является «Устройство для контроля концентрации опасных газов» (патент РФ №2253108, G01N 27/12, 2004), которое и выбрано в качестве прототипа.
4
2
Указанное устройство содержит три независимых датчика, реагирующих избирательно на конкретный газ: метан - CH, угарный газ - CO, кислород - O, микроЭВМ, часы и интерфейсное устройство с персональным компьютером. Снимаемая с датчиков информация преобразуется в цифровой код и передается на дисплей компьютера. В устройстве предусмотрен счет времени, сохранение информации в общей базе и сравнения с предельно допустимыми концентрациями.
4
2
Однако указанное устройство не обеспечивает дистанционного контроля за концентрациями опасных газов и передачу тревожной информации в службу газовой безопасности в случае, если произойдет превышение установленного значения предельно допустимых концентраций (ПДК) для CH и CO или снижения содержания ниже предельного значения для кислорода O, что приводит к несвоевременному принятию мер, обеспечивающих снижение загазованности.
4
2
Технической задачей изобретения является своевременное принятие эффективных мер, обеспечивающих снижение загазованности в жилых, коммунальных и производственных помещениях путем передачи тревожной информации в службу газовой безопасности в случае, если произойдет превышение установленного значения ПДК для CH и CO или снижение содержания предельного значения для O.
Поставленная задача решается тем, что устройство для контроля концентраций опасных газов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, датчики метана, угарного газа и кислорода, усилитель сигналов, аналоговый коммутатор, аналого-цифровой преобразователь, микроЭВМ, запоминающее устройство, информационное табло, устройство тревожной сигнализации, интерфейсное устройство с персональным компьютером, устройство управления, часы и блок питания, при этом каждый датчик выполнен в виде полупроводникового газового сенсора и посредством последовательно соединенных усилителя сигналов, аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя связан с микроЭВМ, выходы которой соединены соответственно с входами запоминающего устройства, информационного табло, устройства тревожной сигнализации, интерфейсного устройства с персональным компьютером и устройства управления, выходы устройства управления соединены соответственно с входами аналогового коммутатора и аналого-цифрового преобразователя, а выход часов соединен с входом микроЭВМ, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено тремя реле, мультивибратором, передатчиком и дистанционным пунктом контроля, причем обмотки реле подключены к соответствующим выходам микроЭВМ, передатчик выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора, фазового манипулятора, второй вход которого соединен с выходом генератора модулирующего кода, телеграфного ключа, усилителя мощности и передающей антенны, передатчик и мультивибратор через замыкающий контакт первого реле подключены к блоку питания, замыкающий контакт второго реле включен последовательно с резистором в одно из плеч мультивибратора, замыкающие контакты третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу передатчика, дистанционный пункт контроля выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны, усилителя высокой частоты, смесителя, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилителя промежуточной частоты, удвоителя фазы, второго анализатора спектра, блока сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, порогового блока, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключа, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, фазового детектора и блока регистрации, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены делитель фазы на два и узкополосный фильтр, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора, к выходу порогового блока подключены звуковой сигнализатор и блок перестройки.
Структурная схема устройства для контроля концентрации опасных газов представлена на фиг.1. Структурная схема дистанционного пункта контроля изображена на фиг.2.
4
2
Устройство для контроля концентраций опасных газов содержит датчики метана CH 1, угарного газа CO 2 и кислорода O 3, каждый из которых выполнен в виде полупроводникового газового сенсора и посредством последовательно соединенных усилителя 4 сигналов, аналогового коммутатора 5 и аналого-цифрового преобразователя 6 связан с микроЭВМ 7, выходы которой соединены соответственно с входом запоминающего устройства 8, информационного табло 9, устройства 10 тревожной сигнализации, интерфейсного устройства 11 с персональным компьютером IBM-PC и устройства 12 управления, выходы которого соединены соответственно с входом аналогового коммутатора 5 и аналого-цифрового преобразователя 6, блок 14 питания, к выходам которого подключены усилитель 4 сигналов, аналоговый коммутатор 5, микроЭВМ 7, интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером, блок 12 управления и часы 13, выход которых подключен к микроЭВМ 7, обмотки реле 15, 16, и 17, подключенные к соответствующим выходам микроЭВМ 7, мультивибратор 18 и передатчик 20, который выполнен в виде последовательно включенных задающего генератора 21, фазового манипулятора 23, второй вход которого соединен с выходом генератора 22 модулирующего кода, телеграфного ключа 24, усилителя 25 мощности и передающей антенны 26. При этом передатчик 20 и мультивибратор 18 через замыкающий контакт 15.1 первого реле подключены к блоку 14 питания, содержащему сетевой адаптер, аккумуляторную батарею резервного питания и зарядное устройство. Замыкающий контакт 16.1 второго реле включен последовательно с резистором 27 в одно из плеч мультивибратора 18. Замыкающие контакты 17.1 и 19.1 третьего реле и реле мультивибратора подключены параллельно телеграфному ключу 24 передатчика 20.
Дистанционный пункт контроля расположен в службе газовой безопасности и выполнен в виде последовательно включенных приемной антенны 27, усилителя 28 высокой частоты, смесителя 31, второй вход которого через гетеродин 30 соединен с выходом блока 29 перестройки, усилителя 32 промежуточной частоты, удвоителя 35 фазы, второго анализатора 36 спектра, блока 37 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 34 спектра соединен с выходом усилителя 32 промежуточной частоты порогового блока 38, второй вход которого через линию 39 задержки соединен с его выходом, ключа 40, второй вход которого соединен с выходом усилителя 32 промежуточной частоты, фазового детектора 44 и блока 45 регистрации, последовательно подключенных к выходу удвоителя 35 фазы делителя 42 фазы на два и узкополосного фильтра 43, выход которого соединен с вторым входом фазового детектора 44. Управляющий вход блока 29 перестройки и вход звукового сигнализатора 41 соединены с выходом порогового блока 38.
Анализаторы 34 и 36 спектра, удвоитель 35 фазы, блок 37 сравнения, пороговый блок 38 и линии 39 задержки образуют обнаружитель (селектор) 33 сложных сигналов с фазовой манипуляцией (ФМн).
Устройство работает следующим образом.
4
2
После включения напряжения питания производится запуск микроЭВМ 7. Через устройство 12 управления микроЭВМ 7 по введенной в нее программе последовательно включает циклы измерения с трех датчиков 1, 2 и 3. Измерительная информация с выходов датчиков метана CP 1, угарного газа CO 2 и кислорода O 3 через усилитель 4 сигналов и аналоговый коммутатор 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 6. Преобразованный цифровой код поступает в микроЭВМ 7, которая производит сравнение его значения в микроЭВМ 7 с предельно допустимым. При включенном режиме протоколирования через определенные отрезки времени, измеренные значения с временной отметкой с часов 13 записываются в запоминающее устройство 8.
В устройстве применены полупроводниковые детекторы газов, измеряющие в широком диапазоне концентрации, что позволяет использовать устройство не только в качестве устройства пороговой сигнализации, но и получать в любой момент времени значения измеренных параметров на информационном табло 9 или пересылать измерительную информацию в интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером (ПК). Применение микроЭВМ 7 позволяет производить обработку измерительной информации, переходить в режим постоянных измерений и выводить информацию в аналоговый коммутатор 5, производить фиксацию результатов измерений в запоминающем устройстве 8 по заданным в микроЭВМ 7 программам, а также в случае аварийной ситуации.
4
2
Применение запоминающего устройства 8 и часов 13 реального времени позволяют протоколировать через заданные промежутки времени значения измеренных параметров, что обеспечивает детальной анализ причин аварии. Применение полупроводниковых газовых сенсоров позволяет производить измерения в широком диапазоне температур и влажности окружающей среды с одинаковой погрешностью, что не требует температурной компенсации блока физических датчиков и усилителей. Возможность измерения параметров концентраций метана и кислорода позволяет анализировать соотношение их концентраций и предупреждать об образовании взрывоопасных метана и кислорода в концентрациях, близких к соотношению 1:2 (CH:O).
Устройство содержит блок 10 тревожной сигнализации, срабатывание которого происходит в случаях:
4
- превышения предельно допустимых концентраций (ПДК) по CH и CO в контролированном помещении;
2
- снижения ниже установленного предела концентрации O.
После срабатывания тревожной сигнализации устройство производит постоянный контроль всех контролируемых параметров и переходит в режим постоянной передачи информации в ПК.
4
В случае если произойдет превышение установленного значения ПДК для метана CH, микроЭВМ 7 включает тревожную сигнализацию и переходит в режим протоколирования и прямой передачи информации в интерфейсное устройство 11 с персональным компьютером. Запрос протокола измерений возможен из персонального компьютера в любой момент времени.
Одновременно постоянное напряжение с соответствующего выхода микроЭМВ 7 поступает на первое реле 15. Последнее срабатывает и замыкает контакт 15.1, через который питание от блока 14 питания подается на мультивибратор 18 и передатчик 20.
После включения передатчика 20 задающим генератором 21 формируется высокочастотное колебание
c
c
c
c
с
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
c
c
с
c
где U, w, φ, T - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность высокочастотного колебания,
которое поступает на первый вход фазового манипулятора 23. На второй вход последнего подается модулирующий код M(t) с выхода генератора 22 модулирующего кода. Модулирующий код M(t) является идентификационным номером помещения, здания, где произошла утечка опасных газов. В результате фазовой манипуляции на выходе фазового манипулятора 23 образуется сложный сигнал с фазовой манипуляцией (ФМн).
1
c
c
к
с
с
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
к
к
э
э
э
где φ(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ(t) - const при Кτ<t<(к+1)τ и может изменяться скачком при t=Кτ, т.е. на границах между элементарными посылками (К=1, 2, …, N-1);
э
c
c
э
τ, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T(T=τ·N).
1
Сформированный сигнал ФМн-сигнал u(t) через телеграфный ключ 24 и усилитель 25 мощности поступает в антенну 26, излучается ею в эфир, управляется приемной антенной 27 пункта контроля и через усилитель 28 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 31, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 30 линейно изменяющейся частоты
г
c
г
г
п
2
u(t)=U·Cos(wt+πrt+φ), 0≤t≤Т,
где  - скорость изменения частоты гетеродина 30.
г
Следует отметить, что поиск ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Дf осуществляется с помощью блока 29 перестройки, который периодически с периодом Тп по линейному закону изменяет частоту W гетеродина 30. В качестве блока 29 перестройки может быть использован генератор пилообразного напряжения.
На выходе смесителя 31 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 32 выделяется напряжение промежуточной частоты
пр
пр
пр
к
пр1
c
2
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)-πrt+φ], 0≤t≤T,
где ;
пр
с
г
w=w-w - промежуточная частота;
пр
с
г
φ=φ-φ,
пр
которое представляет собой сложный сигнал с комбинированной фазой манипуляции и линейной частотной модуляцией (ФМн-ЛЧМ) на промежуточной частоте W и поступает на вход обнаружителя (селектора) ФМн-сигнала, состоящего из удвоителя 35 фазы, анализаторов 34 и 36 спектров, блока 37 сравнения, порогового блока 38 и линии 39 задержки.
На выходе удвоителя 35 фазы образуется гармоническое напряжение
2
2
пр
пр
с
2
u(t)=U·Cos[2wt-2πrt+2φ], 0≤t≤Т,
где .
пр
В качестве удвоителя 35 фазы может быть использован перемножитель, на два входа которого подается один и тот же сигнал u(t).
к
Так как 2φ(t)={0,2π}, то в указанном напряжении манипуляция фазы уже отсутствует.
2
с
2
с
c
э
c
э
2
c
c
2
Ширина спектра Δf второй гармоники определяется длительностью T сигнала (Δf=1/Т), тогда как ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала определяется длительностью τ его элементарных посылок (Δf=1/τ), т.е. ширина спектра Δf второй гармоники сигнала в N paз меньше ширины спектра Δf входного ФМн-сигнала (Δf/Δf=N).
Следовательно, при удвоении фазы ФМн-сигнала его спектр «сворачивается» в N раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать ФМн-сигнал среди других сигналов (помех) и шумов даже тогда, когда его мощность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.
c
2
I
II
c
2
I
II
пор
пор
пор
Ширина спектра Δf входного ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора 34 спектра, а ширина спектра Δf второй гармоники сигнала измеряется с помощью анализатора 36 спектра. Напряжение U и U, пропорциональные Δf и Δf соответственно, с выходов анализаторов 34 и 36 поступает на два входа блока 37 сравнения. Так как U » U, то на выходе блока 37 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговое напряжение U в пороговом блоке 38. Пороговое напряжение U выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи и шумы. При превышении порогового уровня U в пороговом блоке 38 формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 40, открывая его, на вход линии задержки 39, на управляющий вход блока 29 перестройки, выключая его, и на вход звукового сигнализатора 41. Ключ 40 в исходном состоянии всегда закрыт.
При прекращении перестройки гетеродина 30 усилителем 32 промежуточной частоты выделяется следующее напряжение
пр1
пр
пр
к
пр
с
u(t)=U·Cos[wt+φ(t)+φ], 0≤t≤Т,
которое через открытый ключ 40 поступает на первый (информационный) вход фазового детектора 44.
На выходе делителя 42 фазы на два в этом случае образуется гармоническое напряжение
3
3
пр
пр
с
u(t)=U·Cos(wt+φ), 0≤t≤Т,
которое выделяется узкополосным фильтром 43, используется в качестве опорного напряжение и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 44. На выходе последнего выделяется низкочастотное напряжение
н
н
к
c
u(t)=U·Cosφ(t), 0≤t≤T,
где ;
пропорциональное модулирующему коду M(t). Это напряжение фиксируется блоком 45 регистрации. Данное напряжение содержит в цифровом виде данные о месте и времени утечки опасных газов.
4
Для повышения достоверности приема и регистрации сложного ФМн-сигнала последний дублируется несколько раз с интервалом, например, в 20 секунд. Это обеспечивается работой мультивибратора 18 в несимметричном режиме. Контакт 19.1 реле 19 мультивибратора 18 периодически через равные промежутки времени, например 20 секунд, замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20, который и посылает в пространство ФМн-сигнал через тот же интервал времени. При этом звуковой сигнализатор 41 подает звуковые сигналы с интервалом в 20 секунд, что свидетельствует об утечке метана СН с грифом «ОПАСНО».
з
Время задержки τ линии 39 задерживается так, чтобы можно было неоднократно принимать и фиксировать ФМн-сигнал на определенной частоте. Несущая частота также является идентификационным признаком. Передатчики, установленные в различных помещениях и заданиях имеют свои несущие частоты в заданном диапазоне частоты Дf. Периодический просмотр заданного диапазона частот Дf обеспечивает обнаружение несущих частот передатчиков, установленных в помещениях, где произошла утечка опасных газов.
з
По истечении времени τ напряжение с выхода линии 39 задержки поступает на вход сброса порогового блока 38 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом звуковой сигнализатор 41 прекращает свою работу, ключ 40 закрывается, а блок 29 перестройки включается, т.е. они переводятся в свои исходные состояния. Устройство готово к дальнейшей работе.
При обнаружении следующего ФМн-сигнала на другой несущей частоте работа устройства происходит аналогичным образом.
4
В случае если произойдет превышение значения ПДК для метана CH и угарного газа CO, то постоянные напряжения поступают на первое 15 и второе 16 реле, которые срабатывают. Контакт 16.1 второго реле замыкается, и включает в схему мультивибратора 18 резистор 27, и переводит его работу в симметричный режим. Реле 19 мультивибратора 18 срабатывает через равные интервалы времени, например в 5 секунд, и его контакт 19.1 замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20 через тот же интервал времени в 5 секунд. Это соответствует степени утечки газов «ОЧЕНЬ ОПАСНО».
4
2
4
2
В случае если произойдет превышение установленного ПДК для CH и угарного газа CO и снижение содержания ниже предельного для кислорода O, т.е. образуется взрывоопасная смесь метана и кислорода в концентрациях, близких к соотношению 1:2 (CH:O), то срабатывают все три реле 15, 16 и 17. Контакт 17.1 третьего реле замыкает цепь телеграфного ключа 24 передатчика 20 накоротко. При этом передатчик 20 посылает в пространство непрерывный ФМн-сигнал значительной длительности, а звуковой сигнализатор 41 воспроизводит непрерывный звуковой сигнал, характеризуя возникшую ситуацию как «чрезвычайно опасно».
Устройство может работать в следующих режимах:
1. Дежурный, в котором происходит непрерывное измерение величин контролируемых параметров и сравнение с пороговыми значениями ПДК.
2. Режим протоколирования. Через заданные промежутки времени производится запись в энергонезависимую память устройства измеренного значения величин контролируемых параметров.
3. Режим считывания информации. Информация передается из запоминающего устройства на интерфейс компьютера.
4. Аварийный режим. В аварийном режиме при превышении ПДК срабатывает тревожная сигнализация и устройство переходит в режим дистанционной передачи тревожной информации на пункт контроля, размещенный в службе газовой безопасности.
Блок питания устройства содержит резервный аккумулятор, что позволяет питать устройство длительное время при отключении внешнего питания.
Калибровка прибора осуществляется в контрольной базовой камере.
Предлагаемое устройство может быть реализовано промышленным путем на базе известных элементов и блоков, на выпускаемых серийно комплектующих, таких как полупроводниковые газовые сенсоры фирмы ЗАО «Авангард - Микросенсор».
4
2
Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет своевременно принять эффективные меры, обеспечивающие снижение загазованности в жилых, коммунальных и производственных помещениях. Это достигается путем передачи тревожной информации в случаях, если произойдет превышение установленного значения ПДК для метана CH и угарного газа CO или снижения содержания ниже предельного значения для кислорода O.