電話自動(dòng)監(jiān)控瓦斯氧氣報(bào)警器的研究與開發(fā)

摘要：電話自動(dòng)監(jiān)控瓦斯氧氣報(bào)警器具有檢測瓦斯、氧氣濃度功能，在瓦斯?jié)舛瘸藁蛉毖醭迺r(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)警。并且自動(dòng)撥通煤礦安全局主要負(fù)責(zé)人電話，使其對(duì)礦主、安檢員、某些礦的負(fù)責(zé)人進(jìn)行監(jiān)管，減少或杜絕人為因素造成瓦斯爆炸事故再度發(fā)生。為煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全提供了更加有利的保障。文章介紹了電話自動(dòng)監(jiān)控瓦斯和氧氣報(bào)警器組成結(jié)構(gòu)和工作原理，并對(duì)其電路進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：電話監(jiān)控器；報(bào)警器；定時(shí)電路；電壓比較器

目前，在利益的驅(qū)使下，某些礦主或是領(lǐng)導(dǎo)利欲熏心，不顧礦工生命安全，在瓦斯嚴(yán)重超限和氧氣缺乏時(shí)仍讓職工生產(chǎn)；還有某些安檢員責(zé)任心不強(qiáng)，擅自脫離崗位，瓦斯超限和氧氣缺乏時(shí)不報(bào)告，這些都成為當(dāng)前瓦斯發(fā)生爆炸和影響礦工安全的最主要的人為因素。為避免人為因素造成爆炸事故的發(fā)生，開發(fā)研制出電話自動(dòng)監(jiān)控瓦斯和氧氣報(bào)警器。它能在瓦斯超限時(shí)或在礦井中缺少氧氣并低于報(bào)警限時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，并且自動(dòng)撥通煤礦安全局主要負(fù)責(zé)人電話，告知井下瓦斯和氧氣超限的實(shí)際情況，使安全局主要負(fù)責(zé)人對(duì)礦主、安檢員、某些礦的負(fù)責(zé)人進(jìn)行監(jiān)管，督促他們認(rèn)真貫徹煤礦安全規(guī)程，實(shí)現(xiàn)電話自動(dòng)監(jiān)管功能。該設(shè)備還具有強(qiáng)迫顯示報(bào)警參數(shù)和動(dòng)態(tài)顯示節(jié)能功能，并能方便地觀測瓦斯和氧氣的含量。它是一種新型的煤礦安全監(jiān)控設(shè)備。以下對(duì)它的組成結(jié)構(gòu)和工作原理進(jìn)行介紹、并對(duì)其電路進(jìn)行分析。

1 系統(tǒng)組成

圖1為該報(bào)警儀的組成框圖：它由直流穩(wěn)壓電源、瓦斯傳感器、氧氣傳感器、信號(hào)放大器、電壓比較器、控制門電路、聲光報(bào)警電路、顯示選擇電路、數(shù)字顯示系統(tǒng)、電話自動(dòng)監(jiān)控電路組成。

圖1 電話自動(dòng)監(jiān)控瓦斯氧氣報(bào)警器組成框圖



2 電路原理分析

(1)圖2為直流穩(wěn)壓電源電路。直流電源由變壓器、整流濾渡、穩(wěn)壓電路和負(fù)電源變換電路組成。其工作原理是：變壓器把220V的交流電壓變?yōu)?V的交流電壓，經(jīng)橋式整流、電容濾波、L7805集成穩(wěn)壓器輸出5V的直流電壓。為其它各部分電路提供＋5V直流電源。另經(jīng)穩(wěn)壓管DW2穩(wěn)壓電路輸出2.8V電壓為傳感器提供電源，還有一路穩(wěn)壓DW1管輸出2.5V電壓為電壓比較器提供參考電壓。＋5V直流電源經(jīng)負(fù)電源變換電路7660直接輸出-5V電壓，為數(shù)字顯示系統(tǒng)提供-5V電源。

圖2 直流穩(wěn)壓電源電路原理圖



(2)如圖3所示。傳感器、信號(hào)放大器、電壓比較器、聲光報(bào)警電路工作原理：瓦斯傳感器的作用是把瓦斯?jié)舛鹊淖兓優(yōu)殡娦盘?hào)的變化。該瓦斯傳感器具有很高的靈敏度和測量范圍，測量誤差小。集成運(yùn)算Al、A2和有關(guān)電阻組成兩級(jí)反相比例放大器作為瓦斯信號(hào)的放大器，放大倍數(shù)達(dá)千倍以上，A2的輸出加到電壓比較器A3的同相輸人端；RW1、R8組成分壓器，為電壓比較器提供參考電壓。參考電壓加在A3的反相輸入端，發(fā)光二極管D1(紅燈)、D2(綠燈)和R10、R11組成瓦斯燈光報(bào)警指示電路，當(dāng)瓦斯?jié)舛任闯^報(bào)警限時(shí)，電壓比較器A3輸出的低電平，使發(fā)光二極管D2(綠燈)亮，表示瓦斯?jié)舛任闯?。?dāng)采礦區(qū)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，電壓比較器A3輸出高電平，使紅燈亮，表示瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警限。同理氧氣濃度的超限報(bào)警電路與瓦斯支路相同。

圖3 瓦斯傳感器、信號(hào)放大器、數(shù)字顯示系統(tǒng)、電壓比較器、聲光報(bào)警電路原理圖



二極管D5、D6組成控制門電路，電壓比較器A3和電壓比較器9 7 3 1 2 3 4 8 : 來源：湖北安全生產(chǎn)信息網(wǎng)

A6只要有一個(gè)輸出高電平，二極管D5、D6組成的或門就輸出高電平，驅(qū)動(dòng)V1三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器發(fā)聲進(jìn)行聲報(bào)警。而且或門輸出的高電平經(jīng)反相器到達(dá)電話控制電路的F接線端，啟動(dòng)電話控制電路。從A2放大器輸出的瓦斯電信號(hào)和A5放大器輸出的氧氣電信號(hào)除進(jìn)入電壓比較器外，還有一路信號(hào)進(jìn)入信號(hào)選擇電路。再進(jìn)入數(shù)字顯示系統(tǒng)。為使報(bào)警儀顯示清晰的數(shù)字而采用數(shù)碼管顯示，我們使用了集A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)數(shù)、譯碼驅(qū)動(dòng)于一身的大規(guī)模集成電路CC7107直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。2.5V電源電壓經(jīng)R28和R29分壓，為CC7107內(nèi)部電路提供基準(zhǔn)電壓。電容C2、C3和電阻R25為CC7107時(shí)鐘的定時(shí)元件。

(3)信號(hào)顯示選擇電路：該監(jiān)測報(bào)警儀能監(jiān)測甲烷和氧氣兩個(gè)參數(shù)，并能方便地觀察甲烷、氧氣含量的功能，而且具備強(qiáng)迫選擇顯示突然超過報(bào)警限參數(shù)的功能。該電路主要由圖3中的電子開關(guān)CD4053、包含二D觸發(fā)器的CC4013、四二輸入與非門CC4011和按鈕AN、C1、R24、等組成的信號(hào)選擇電路工作原理分為兩部分。①手動(dòng)信號(hào)選擇電路工作原理：通過按按扭AN可以非常方便地選擇甲烷、氧氣含量。由圖3得知，CC4013中的觸發(fā)器構(gòu)成了一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。沒按信號(hào)選擇按扭AN之前，CC4013腳輸出低電壓，經(jīng)CC4011內(nèi)的一個(gè)與非門反相后輸出高電平，此高電平加到CD4053，使CD4053的一腳輸出端選擇甲烷信號(hào)進(jìn)入CC7107數(shù)顯電路進(jìn)行顯示，而且CD4053的一腳輸出低電平控制數(shù)碼管的甲烷的小數(shù)點(diǎn)顯示，使氧氣的小數(shù)點(diǎn)不顯示；如需要進(jìn)行氧氣含量顯示，按一下顯示選擇按扭AN，給雙CC4013的觸發(fā)器一個(gè)脈沖時(shí)鐘信號(hào)，使CC4013的一腳翻轉(zhuǎn)輸出高電平，經(jīng)CC4011的與非門反相輸出低電平，此低電平加到CD4053，這時(shí)CD4053的另一腳控制氧氣信號(hào)輸入到CC7107的信號(hào)的輸入端，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)碼顯示。②自動(dòng)強(qiáng)迫顯示報(bào)警參數(shù)功能；該報(bào)警儀若正在顯示氧氣含量時(shí)，甲烷含量濃度突然超過報(bào)警限，監(jiān)測報(bào)警儀會(huì)由顯示氧氣含量轉(zhuǎn)換為顯示甲烷含量；反之，正在顯示甲烷含量，氧氣濃度突然低于報(bào)警限，報(bào)警儀轉(zhuǎn)換為顯示氧氣含量，這種功能是利用甲烷比較器輸出信號(hào)加到CC4013觸發(fā)器的異步復(fù)位輸入端，氧氣電壓比較器輸出的信號(hào)加到觸發(fā)器異步置位端實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)氧氣濃度低于報(bào)警限時(shí)，氧氣電壓比較器輸出的高電平信號(hào)加到觸發(fā)置位端，此高電平強(qiáng)制顯示氧氣；同樣若正在顯示氧氣信號(hào)時(shí)，甲烷含量濃度突然超過報(bào)警限，甲烷比較器輸出高電平信號(hào)使觸發(fā)器復(fù)位，輸出低電平，強(qiáng)迫轉(zhuǎn)換為顯示甲烷含量。③節(jié)能顯示技術(shù)：該報(bào)警器采用動(dòng)態(tài)顯示代替靜態(tài)顯示，動(dòng)態(tài)顯示電路是由CC4011內(nèi)的兩個(gè)與非門和電阻R31、電容C6共同組成RC多諧振蕩器，其輸出的方波經(jīng)R30和三極管T驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，由驅(qū)動(dòng)管T、數(shù)碼管等元件組成的顯示電路減少近一半的電能損耗。

(4)電話監(jiān)控原理圖：它包括輸入控制電路、自動(dòng)撥號(hào)電路、音頻譯碼、忙音及振鈴回音識(shí)別電路、告急信號(hào)產(chǎn)生電路、鈴流接收及譯碼定時(shí)電路、控制電路組成，如圖4所示。

圖4 電話監(jiān)控自動(dòng)報(bào)警器電路圖



3 整機(jī)工作過程

瓦斯傳感器和氧氣傳感器分別把瓦斯?jié)舛鹊淖兓把鯕鉂舛鹊淖兓優(yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)各自放大器放大，兩放大器輸出的電信號(hào)一路進(jìn)入信號(hào)選擇電路和數(shù)字顯示系統(tǒng)，顯示瓦斯或氧氣的含量。另一路信號(hào)分別進(jìn)入各自的電壓比較器，與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)瓦斯?jié)舛鹊陀趫?bào)警限或氧氣濃度高于報(bào)警限時(shí)，兩電壓比較器輸出低電平，使未超限發(fā)光二極管D2、D4(綠燈)亮，蜂鳴器不響，電話自動(dòng)監(jiān)控電路不動(dòng)作；采礦區(qū)當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸^報(bào)警限或氧氣濃度低于報(bào)警限時(shí)，電壓比較器輸出高電平，二9 7 3 1 2 3 4 8 : 來源：湖北安全生產(chǎn)信息網(wǎng)

極管D1、D3(紅燈)亮，并驅(qū)動(dòng)V1三極管導(dǎo)通，使蜂嗚器發(fā)聲進(jìn)行聲報(bào)警；而且電壓比較器輸出的高電平由F接線端到達(dá)電話控制電路，啟動(dòng)電話監(jiān)控電路工作，自動(dòng)撥打煤礦安全局長電話號(hào)碼。若煤礦安全局長電話忙，則忙音識(shí)別及電路定時(shí)器l動(dòng)作，電話控制電路會(huì)每3min重?fù)?次，直至接通為止，若煤礦安全局長電話已接通，則振鈴回音識(shí)別電路和定時(shí)器2動(dòng)作，電話控制電路會(huì)每6min重?fù)?次，并發(fā)出30s的告急信號(hào)。若煤礦安全局長已經(jīng)接聽告急電話，則鈴流接收及音頻譯碼器2和定時(shí)器3動(dòng)作，呼叫頻次改為1h呼叫1次，進(jìn)一步保證呼叫局長的可靠性。9 7 3 1 2 3 4 8 : 來源：湖北安全生產(chǎn)信息網(wǎng)

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