УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГОРЮЧИХ ГАЗОВ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ПОЛЕЗНАЯ МОДЕЛЬ
Полезная модель относится к измерительной технике, а точнее - к устройствам для определения концентрации горючих газов в смеси с воздухом.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Проблема утечки горючих газов является серьезной угрозой безопасности промышленных предприятий (нефтеперерабатывающая промышленность, газораспределителные сети, транспортировка сжиженного газа) и жилищно-коммунального хозяйства. Ежегодно в России происходит свыше сотни опасных инцидентов, связанных с возгораниями и взрывами газовоздушных смесей, и приводящих к разрушениям и человеческим жертвам. В этой связи создание простых, надежных в эксплуатации и защищенных от ложноположительных и ложноотрицательных срабатываний устройств для определения утечек горючих газов по-прежнему остается одной из приоритетных задач общественной безопасности.
Известны приборы для определения концентрации горючих газов в газовоздушной смеси, выполненные с возможностью сигнализации о превышении предельно допустимых концентраций горючих газов.
Известно устройство для определения довзрывных концентраций горючих газов в воздухе, состоящее из источника питания, каталитически активного чувствительного элемента, включенного в четырехплечий измерительный мост, и измерительного прибора Реакция термокаталитического окисления горючего компонента на каталитически активном чувствительном элементе изменяет его температуру и сопротивление, что приводит к разбалансу измерительного моста, который регистрируется измерительным прибором (Иовенко Э.Н. «Автоматические анализаторы и сигнализаторы токсичных и взрывчатых веществ в воздухе». - М.: Химия, 1972, с.53-55).
Известен термохимический сигнализатор, содержащий источник питания, измерительный мост с каталитически активным чувствительным элементом, операционный усилитель, источник опорного напряжения, пороговое реле, усилитель, сигнальные элементы и релейный блок обработки сигнала датчика (авторское свидетельство СССР №978171).
Известен сигнализатор взрывоопасных газов и паров «СИГНАЛ 02» (Руководство по эксплуатации сигнализатора взрывоопасных газов и паров «СИГНАЛ 02», ООО «Торговый дом «Автоматика», www.analytpribor.ru), содержащий сенсор термокаталитический (СТК), изменяющий свое электрическое сопротивление в зависимости от теплового эффекта термохимической реакции каталитического окисления горючих компонентов, измерительный полумост (ИМ), вместе с упомянутым СТК образующий измерительный мост, дифференциальный усилитель (ДУ), аккумуляторную батарею (АК), стабилизатор напряжения (СН), ограничитель тока (ОТ), светодиодный индикатор (СИ), звуковую сигнализацию (ЗС), и микропроцессорный блок (МП), связанный с АК через ограничитель тока (ОТ), и выполненный с возможностью аналого-цифрового преобразования сигналов от СТК, а также с возможностью преобразования напряжения заряда аккумуляторной батареи, и подачи управляющих сигналов на СИ и ЗС. В известном сигнализаторе ОТ обеспечивает искробезопасность электрических цепей сигнализатора, ограничивая в них максимально возможный ток на уровне 0,5А, а при коротком замыкании - до уровня 0,05 А. Напряжение с выхода ОТ поступает через ключ КЛ на СН. С выхода СН напряжение подается на вход опорного напряжения аналого-цифрового преобразователя микропроцессора МП. Напряжение разбаланса, пропорциональное концентрации исследуемого компонента, усиливается дифференциальным усилителем ДУ и поступает на вход аналого-цифрового преобразователя МП. При превышении порогового уровня концентрации микропроцессор включает ЗС и СИ. С выхода СН напряжение также поступает на питание измерительного моста, в который включен сенсор СТК датчика. Подача питания на сенсор взрывоопасных газов производится через ключ КЛ, управляемый микропроцессором МП.
Общий недостаток вышеупомянутых устройств, препятствующий достижению нижеупомянутого технического результата состоит в том, что сопротивление измерительного моста зависит не только от сопротивления чувствительного элемента, но и от величины остальных сопротивлений в разных плечах мостового измерителя. Эта зависимость является нелинейной, зависит от времени и концентрации горючего газа, что вносит погрешность в функционирование прибора и сужает диапазон измеряемых концентраций. Еще один общий недостаток вышеупомянутых устройств состоит в том, что они не имеют средств для искробезопасного включения исполнительных механизмов с питанием от сети переменного тока.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения концентрации горючих газов, лишенной вышеупомянутых недостатков. Еще одной задачей настоящей полезной модели является создание устройства для определения концентрации горючих газов с возможностью искробезопасного включения исполнительных устройств с питанием от источника переменного тока.
Технический результат настоящей полезной модели, позволяющий решить вышеупомянутые задачи, состоит в создании устройства для определения концентрации горючих газов, включающего резистивный делитель напряжения, в котором расширен измеряемый диапазон концентраций и повышена точность измерений и которое имеет возможность искробезопасного включения исполнительных устройств с питанием от источника переменного тока.
Вышеуказанный технический результат достигается благодаря тому, что устройство для определения концентрации горючих газов, содержащее в себе узел питания (УП), масштабирующий усилитель (МУ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к МУ, средства цифровой обработки сигнала (СЦОС), подключенные к АЦП, средство управления исполнительными органами (СУИО), подключенные к МУ и резистивный делитель напряжения (РДН), одно из плеч которого включает в себя активный чувствительный элемент (ЧЭ) имеющий сопротивление, зависящее от концентрации горючего газа, при этом одна из диагоналей упомянутого РДН подключена к упомянутому МУ, дополнительно содержит в себе генератор стабильного тока (ГСТ), вход которого подключен к упомянутому УП, а выход к диагонали питания упомянутого РДН, а упомянутое СУИО представляет собой твердотельное реле, имеющее вход для подключения исполнительного органа, вход для подключения источника питания переменного тока и вход управляющего сигнала, подключенный к упомянутому СЦОС.
Как известно, напряжение на диагоналях и плечах РДН определяется не только величиной сопротивлений, но и током, протекающим через диагонали и плечи РДН. При изменении сопротивления ЧЭ этот ток также изменяется, что вызывает нелинейную зависимость выходного напряжения РДН от величины сопротивления ЧЭ. Использование ГСТ, обеспечивает постоянную величину протекающего через РДН тока. Поэтому напряжение, снимаемое с ЧЭ строго пропорционально его сопротивлению, что не только повышает точность измерений, но и позволяет ввести в СЦОС программу коррекции, учитывающей свойства ЧЭ и тем самым расширить диапазон измеряемых концентраций.
Таким образом, в заявленном устройстве питание РДН от ГСТ обеспечивает падение напряжения на чувствительном элементе строго пропорциональное его сопротивлению, независимо от сопротивления остальных плеч РДН.
Твердотельные реле представляет собой электронный компонент, обеспечивающий электрическую изоляцию между цепями управляющего сигнала устройства и силовыми цепями переменного тока. Твердотельное реле не имеет движущихся частей и искровых промежутков, что обеспечивает повышенную искробезопасность и возможность использования исполнительных устройств с питанием от источника переменного тока.
В частном варианте воплощения устройства упомянутый УП дополнительно содержит в себе аккумулятор. В данном варианте воплощения заявленное устройство не зависит от наличия источника тока в месте установки.
В одном частном варианте воплощения устройства упомянутый УП дополнительно содержит в себе ограничитель тока для предотвращения искрообразования. В случае использования аккумулятора ограничитель тока позволяет повысить искробезопасность прибора в случае короткого замыкания и при быстром размыкании цепей, например, во время замены аккумулятора.
В еще одном частном варианте воплощения устройства оно дополнительно содержит в себе индикатор уровня заряда батареи, подключенный к упомянутому СЦОС и средства измерения напряжения (СИН), вход которых подключен к упомянутому УП, а выход к упомянутому СЦОС, при этом упомянутый СЦОС выполнен с возможностью включения упомянутого индикатора уровня заряда батареи при понижении уровня напряжения ниже предварительно заданного значения. В данном варианте выполнения пользователь может контролировать уровень заряда батареи, в зависимости от индикатора, включенного при достижении порогового значения напряжения питания. Например, при напряжении питания 4,5 В может включаться индикатор одного цвета, а при падении напряжения питания до 3,0 В - индикатор питания другого цвета.
В другом частном варианте воплощения устройства, оно дополнительно содержит в себе абонентское устройство телекоммуникационной сети (АУТС), подключенное к упомянутому СЦОС, при этом упомянутый СЦОС выполнен с возможностью передачи сигнала об уровне горючего газа посредством упомянутого АУТС. В данном варианте воплощения устройство может передавать значение измеряемого сигнала посредством телекоммуникационной сети на удаленное устройство управления или мониторинга.
В предпочтительном варианте воплощения устройства, упомянутое АУТС выбрано из группы, состоящей из GSM модема, ADSL модема, модема автоматически коммутируемой телефонной сети, модема WiMax и 4G модема.
В частном варианте воплощения устройство дополнительно содержит в себе исполнительные элементы. В данном варианте воплощения устройство и его измерительные и управляющие компоненты совмещены с исполнительными механизмами.
В предпочтительном варианте воплощения, упомянутые исполнительные элементы выбраны из группы, состоящей из управляемого крана, управляемой задвижки, управляемого вентиля, вентилятора, насоса и пневмоклапана.
Следует понимать, что устройству могут быть присущи все или только некоторые из признаков вышеописанных частных и предпочтительных вариантов выполнения, при условии, что они не исключают друг друга; такие комбинации признаков также включены в объем настоящего изобретения.
Среднему специалисту из описания прототипа и из уровня техники должны быть понятны функции и допустимые варианты выполнения, соединения и расположения вышеупомянутых конструктивных элементов.
Если какие-то конструктивные элементы и другие признаки, которые, как известно среднему специалисту, необходимы для реализации назначения, но специально не упомянуты в формуле изобретения и не раскрыты в описании, то они являются имманентно присущими, а их конкретные варианты выполнения хорошо известны из прототипа и уровня техники.
Для лучшего понимания полезной модели ниже приводятся иллюстрирующий чертеж, показывающий частный вариант выполнения устройства.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фигуре 1 показана принципиальная схема одного из частных вариантов выполнения заявленного устройства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Нижеследующие примеры даются только для иллюстрации технической сущности полезной модели. Ничто в настоящем разделе описания не должно быть истолковано как ограничение объема притязаний. Должно быть понятно, что средний специалист, знакомый с идеями настоящей полезной модели, может использовать его главные отличительные особенности и внести эквивалентные замены с достижением поставленной задачи и без отклонения от духа и области настоящей полезной модели.
Как показано на фигуре 1 устройство для определения концентрации горючих газов содержит в себе узел питания (УП) на основе импульсных стабилизаторов напряжения ICL7660, масштабирующий усилитель (МУ) на основе операционного усилителя ОР7А, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к МУ, средства цифровой обработки сигнала (СЦОС), подключенные к АЦП, причем АЦП и СЦОС выполнены на основе программируемого 8-битного микроконтроллера ATtiny26, средство управления исполнительными органами (СУИО) на основе твердотельного реле с оптическим транзистором VT3, подключенное к СЦОС и к исполнительному устройству К1, генератор стабильного тока (ГСТ) на основе стабилизатора тока КЖ101А, вход которого подключен к упомянутому УП, а выход к диагонали питания упомянутого РДН, а также резистивный делитель напряжения (РДН), одно из плеч которого включает в себя активный чувствительный элемент (ЧЭ) - газовый сенсор HS133, при этом одна из диагоналей упомянутого РДН подключена к упомянутому МУ. Устройство также содержит светодиод HL1 и источник звука, подключенные к СЦОС через VT2 и VT1, соответственно.
При включении устройства, СЦОС выполняет программу самопроверки, в течение которой горит светодиод HL1, в случае отсутствия ошибки, устройство переходит в рабочий режим, о чем сигнализирует включение зеленого светодиода (не показан на фиг.1). При нормальной концентрации горючего газа напряжение на ЧЭ, усиливают посредством МУ, преобразуют в АЦП и сравнивают с предварительно заданными пороговыми уровнями посредством программы СЦОС. Когда концентрация горючего газа становится выше порогового значения, напряжение на ЧЭ, усиленное МУ и преобразованное АЦП становится меньше порогового уровня, программа СЦОС формирует сигналы, вызывающие включение исполнительных устройств.
Изменения и модификации заявленной полезной модели, а также дополнительные применения принципов, заложенных в ее основу, очевидным для специалистов образом, входят в объем притязаний.