СИГНАЛИЗАТОР ЗАГАЗОВАННОСТИ

Заявляемая на регистрацию полезная модель относится к системам сигнализации, а именно, к сигнализаторам загазованности довзрывоопасных концентраций горючих газов, которые используются с целью обеспечения безопасности людей в горной, горнодобывающей, химической, нефтегазовой промышленности, жилищно-коммунальном хозяйстве.
В качестве прототипа полезной модели принято наиболее близкое к ней по совокупности существенных признаков известное устройство - стационарный сигнализатор загазованности (далее - СЗ) типа "СМ-1" (см. «Порядок проведения испытаний и утверждения типа средств измерений» ПР 50.2.009-94 - «Описание типа средства измерения»).
Известный стационарный сигнализатор загазованности СМ-1 состоит из пульта управления, к которому при помощи коаксиальной или двухпроводной линии связи подключены параллельно датчики газа. Каждый датчик газа содержит чувствительный элемент (далее - ЧЭ), на который при эксплуатации СЗ поступает воздух, концентрация горючего газа в котором измеряется, а при проверке и настройке датчика, подается поверочная газовая смесь (далее - ПГС) из присоединяемого к датчику переносного газонаполнительного баллона.
Газонаполнительный баллон с вентилем, предназначенным для заправки и дозированной подачи смеси, а также присоединяемые к нему манометр, газовый редуктор, который понижает давление поступающей из баллона смеси и автоматически поддерживает заданное давление на выходе, и ротаметр, который служит для измерения ее расхода, относятся к вспомогательному оборудованию, которое используется для проверки и настройки датчика СЗ, т.е. обслуживает основной процесс - работу датчика СЗ.
Сигнал с ЧЭ каждого датчика в процессе его эксплуатации передается на пороговое устройство датчика СЗ, которое в случае превышения предельно допустимой нормы концентрации горючего газа в окружающем датчик воздухе, формирует двоичный электрический сигнал, поступает далее на пульт управления СЗ, где отражается информация о наличии горючего газа.
Для проверки и настройки датчика известного сигнализатора используются ручные методы. Поверочная газовая смесь - специальная аттестованная смесь горючего газа и воздуха, из присоединяемого газонаполнительного баллона через газовый редуктор и ротаметр в течение заданного оператором (регламентирован в руководстве по эксплуатации СМ-1) интервала времени подается при помощи специальной насадки на
чувствительный элемент датчика газа. Затем оператором производится проверка абсолютной погрешности измерения путем визуального сравнения показаний концентрации газа на табло дополнительного блока (вспомогательное оборудование) с паспортной величиной концентрации ПГС. Настройка датчика СЗ заключается в ручном вводе (подстройке) оператором настроечных параметров датчика газа: «нуля» датчика и его чувствительности. Чувствительность датчика сигнализатора подстраивается таким образом, чтобы разность показаний концентрации газа ПГС, измеренного сигнализатором, и паспортного значения этой величины была не более предельно допустимого значения.
Основным недостатком известного СЗ является необходимость ручной периодической проверки и настройки чувствительности каждого датчика сигнализатора на месте его эксплуатации, а также отсутствие отображения и регистрации информации о действиях обслуживающего персонала при проведении периодического технического обслуживания (далее - ТО) СЗ. Наличие ручных работ не гарантирует их качественного выполнения, что существенно снижает безопасность объекта.
Неудобство состоит и в том, что при проверке и настройке каждого датчика СЗ на месте его эксплуатации обслуживающему персоналу приходится использовать указанное выше присоединяемое переносное вспомогательное оборудование.
Недостаточной является также отображаемая на пульте управления СЗ двоичная информация о наличии горючего газа в воздухе - отсутствует численное значение концентрации горючего газа.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является повышение безопасности производственных объектов горной, горнодобывающей, химической, нефтегазовой промышленности и жилищно-коммунального хозяйства.
Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении заявляемой полезной модели, заключается в повышении надежности СЗ за счет автоматизации работ по его периодическому техническому обслуживанию: проверке работоспособности и настройке чувствительности датчиков газа СЗ.
Дополнительными техническими результатами являются:
- повышение точности измерений,
- повышение надежности за счет автоматического получения, формирования и регистрации дополнительной служебной информации, а также автоматического оповещения оператора об аварийном состоянии системы;
- снижение затрат на эксплуатацию сигнализатора загазованности за счет снижения количества обслуживающего персонала и перехода от планового технического обслуживания СЗ к гибкому обслуживанию по автоматически отслеживаемому текущему состоянию СЗ.
Указанный выше основной технический результат, при осуществлении полезной модели достигается за счет того, что в известном стационарном сигнализаторе загазованности, состоящем из пульта управления, к которому при помощи проводной линии связи с топологией «общая шина» подключено несколько датчиков газа, каждый из которых содержит чувствительный элемент, на который поступает воздух, концентрация горючего газа в котором измеряется, а при настройке и проверке датчика из присоединяемого 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, 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 с аналого-цифровым преобразователем (далее - АЦП) и цифровым устройством обработки данных (далее - ЦУОД).
Реакционная камера предназначена для обеспечения требуемой концентрации ПГС, подаваемой на ЧЭ датчика газа, и представляет собой закрытое пространство внутри датчика, в дно и стенки камеры встроены ЧЭ полупроводникового или термокаталитического типа, фильтр и трубка для подачи ПГС. Принцип действия фильтра заключается в создании заданного сопротивления потоку проходящего через него воздуха таким образом, чтобы скорость потока воздуха на выходе фильтра была значительно меньше, чем на входе. Таким образом, внутри реакционной камеры воздух движется только за счет перепада температур (ЧЭ имеет нагретый активный элемент), перепада плотности воздуха, что существенно повышает точность настройки ЧЭ датчика газа.
АЦП микроконтроллера выполняет функцию по выборке значения амплитуды непрерывного сигнала с выхода ЧЭ датчика во времени и дискретизации его по уровню.
ЦУОД микроконтроллера осуществляет последующее преобразование амплитуды сигнала в цифровые значения измеренной концентрации горючего газа при помощи коэффициента преобразования (чувствительности) датчика газа, а при проверке и настройке датчика - формирование управляющего сигнала для дозированной подачи поверочной газовой смеси из газонаполнительного баллона, нормированное усиление выходного сигнала ЧЭ 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 («нуля» и чувствительности) датчика.
Повышение надежности сигнализатора загазованности происходит также за счет автоматического регулирования выходного напряжения источника питания, выявления отказов ЧЭ, отражения на пульте управления и регистрации в электронном протоколе дополнительной служебной информации: времени и даты проведения автоматической проверки и настройки датчиков газа, значения давления ПГС в баллонах каждого датчика, даты проведения последней настройки и проверки каждого датчика, обрыва и замыкания чувствительных элементов датчиков; формирования служебных сообщений об "уходе" нуля датчика, о достижении коэффициентом преобразования ЧЭ значения, при котором датчик неработоспособен.; об отказе датчиков и самого пульта управления.
Каждый датчик газа сигнализатора загазованности может быть оснащен предназначенным для контроля давления поверочной газовой смеси датчиком давления, который может быть встроен в баллон или устройство для дозированной подачи смеси. Выходной сигнал с датчика давления в случае падения давления смеси в баллоне ниже порогового значения, необходимого для работоспособности датчика газа, поступает на микроконтроллер, который формирует аварийный сигнал о необходимости технического обслуживания датчика газа, при этом на пульте управления отражается информация о значении давления поверочной газовой смеси в газонаполнительном баллоне. Таким образом, оператор автоматически оповещается о необходимости технического обслуживания датчика газа: заправки либо замены газонаполнительного баллона.
Конструктивное выполнение газонаполнительного баллона с двумя заправочными клапанами позволяет автоматизировать и процесс заправки баллона после подсоединения его к внешнему баллону с ПГС через входной заправочный клапан. При достижении заданного значения давления, необходимого для работоспособности датчика газа, в баллоне открывается выходной заправочный клапан, в течение некоторого времени производится продувка баллона для удаления попавшего в баллон воздуха, после чего внешний баллон с ПГС отсоединяется.
В качестве материалов, поясняющих сущность полезной модели, прилагается структурная блок- схема, поясняющая устройство заявляемого сигнализатора, взаимное расположение его конструктивных элементов и связей между ними.
Ниже приводится описание возможного конструктивного воплощения заявляемой полезной модели.
Стационарный сигнализатор загазованности состоит из пульта управления 1, к которому параллельно («общая шина») подключены датчики газа 2 при помощи коаксиальной или двухпроводной линии связи. Количество подключенных датчиков определяется выходной мощностью пульта управления. В каждый датчик встроены газонаполнительный баллон 3 с ПГС и двумя заправочными клапанами 4 и 5, управляемый электромагнитный клапан 6, предназначенный для дозированной подачи ПГС, датчик давления 7; газовый редуктор 8, необходимый для понижения давления ПГС,
установленная на чувствительный элемент 10 датчика газа реакционная камера 9 с металлокерамическим фильтром, а также микроконтроллер 11 с АЦП и ЦУОД. Схема управления электромагнитным клапаном может быть выполнена на основе однокристального микроконтроллера.
Принцип работы сигнализатора загазованности состоит в следующем.
Датчик газа СЗ осуществляет измерение концентрации горючего газа в воздухе. Окружающий воздух поступает через металлокерамический фильтр, который служит для механической защиты ЧЭ датчика и уменьшения влияния на ЧЭ движения потоков воздуха, реакционной камеры 9 на чувствительный элемент 10 датчика газа 2.
Принцип действия используемого для контроля давления ПГС в баллоне датчика давления 7, может быть основан на тензоэффекте.
Выходной электрический сигнал чувствительного элемента, пропорциональный концентрации горючего газа в воздухе, поступает на вход АЦП микроконтроллера 11, где осуществляется выборка значения амплитуды сигнала во времени и дискретизация его по уровню. Цифровые отсчеты выходного сигнала с АЦП поступают на ЦУОД микроконтроллера, где происходит преобразование амплитуды сигнала в цифровые значения измеренной концентрации горючего газа при помощи коэффициента преобразования датчика.
Пульт управления 1 СЗ периодически считывает состояние адресных датчиков газа 2, отображает информацию о номере каждого датчика, месте его расположения и поступивших с него данных о концентрации горючего газа в окружающем их воздухе, регистрирует значения концентраций в электронном протоколе в энергонезависимой памяти пульта, передает информацию о состоянии сигнализатора внешним устройствам (например, модем, компьютер и т.п.) по последовательному интерфейсу передачи информации. При наличии загазованности окружающего воздуха, то есть превышении концентрации порогового (заданного при настройке датчика) значения, датчик газа выдает тревожную световую сигнализацию, а пульт управления тревожную звуковую и световую сигнализацию.
Периодическая проверка и настройка датчика газа необходима для обеспечения эффективной работы сигнализатора и предполагает проверку и настройку таких его настроечных параметров, как «нуль» и «чувствительность».
Проверка и настройка датчиков СЗ является вспомогательным режимом работы СЗ и производится автоматически через заданные промежутки времени (например, один раз в сутки).
Проверка и настройка датчика СЗ производится в три этапа.
На первом этапе микроконтроллер 11 снижает напряжение питания чувствительного элемента 10 датчика 2 на величину, достаточную для практически полной потери чувствительности элемента, и запоминает выходной сигнал
чувствительного элемента, который соответствует «нулю» датчика. Затем напряжение повышается до номинального значения, указанного в паспорте на чувствительный элемент.
На втором этапе микроконтроллер формирует (схема управления может быть выполнена на основе однокристального микроконтроллера) управляющий сигнал для открытия электромагнитного клапана 6. ПГС из баллона 3 поступает через открытый клапан и газовый редуктор 8 в реакционную камеру 9 и далее на ЧЭ датчика. Время открытого состояния электромагнитного клапана должно обеспечивать полную замену воздуха в камере на ПГС. Микроконтроллер запоминает выходной сигнал чувствительного элемента датчика, который соответствует отклику датчика с заданной чувствительностью на ПГС. Далее микроконтроллер вычисляет значение концентрации газа, используя коэффициент преобразования датчика, и сравнивает полученное значение концентрации с концентрацией ПГС. Если вычисленное отклонение концентрации не превышает установленные пределы абсолютной погрешности датчика, то датчик СЗ считается работоспособным и настройка датчика не производится. Если вычисленное отклонение концентрации превышает установленные пределы, то датчик сигнализатора считается неработоспособным и производится его настройка.
На третьем этапе, в случае выявленной неработоспособности датчика, производится настройка датчика сигнализатора. По полученному значению выходного сигнала чувствительного элемента датчика при подаче ПГС микроконтроллер вычисляет и запоминает новое значение коэффициента преобразования датчика газа.
Контроль давления ПГС в баллоне осуществляется при помощи датчика давления 7. Данный датчик давления в частном случае исполнения СЗ может быть встроен в электромагнитный клапан. Выходной сигнал датчика давления поступает на микроконтроллер. В случае падения давления в баллоне ниже порогового значения, необходимого для работоспособности датчика газа, микроконтроллер сигнализатора формирует аварийный сигнал о необходимости технического обслуживания (далее - ТО) датчика газа. Заполнение пустого баллона производится путем подсоединения его к внешнему баллону с ПГС через входной заправочный клапан 4. При достижении заданного значения давления, необходимого для работоспособности датчика газа, в баллоне 3 открывается выходной заправочный клапан 5, в течение некоторого времени производится продувка баллона для удаления попавшего в баллон воздуха, и внешний баллон с ПГС отсоединяется. Предпочтительным является также вариант использования сменного баллона с ПГС: процесс заправки осуществляется вручную путем отсоединения пустого газонаполнительного баллона и замены его на заполненный.
Проверка и настройка датчиков сигнализатора производится сигнализатором автоматически через заданные промежутки времени (например, один раз в сутки).