申请/专利权人：山西工程技术学院;崔建国

申请日：2018-12-26

公开（公告）日：2023-12-22

公开（公告）号：CN109653799B

主分类号：E21F17/18

分类号：E21F17/18;G01N27/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.12.22#授权;2019.05.14#实质审查的生效;2019.04.19#公开

摘要：本发明公开了一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其包括一个瓦斯传感器信号电路、一个基准电压电路、一个比较器电路、一个正反馈电路、一个多谐振荡器电路、一个声光报警电路。所述瓦斯传感器信号电路连接比较器电路A1的同相端；所述基准电压电路连接A1反相端；比较器A1的输出端通过电阻网络R2R1向同相端引入正反馈；瓦斯浓度增加时，瓦斯传感器信号电路输出信号电压降低，由于反向二极管D1、D2的存在，使滞回比较器的基准端与输入端角色发生逆转，A1变成一个加了参考电压的反相输入滞回比较器，比较器输出端与反相端之间的阻容网络与比较器一起构成一个多谐振荡器电路，多谐振荡电路产生矩形波信号驱动报警电路工作，产生声光报警。

主权项：1.一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其特征在于，所述瓦斯报警器包括一个瓦斯传感器信号电路、一个基准电压电路、一个比较器电路、一个正反馈电路、一个多谐振荡器电路、一个声光报警电路；所述瓦斯传感器信号电路，由12V供电、瓦斯传感器的补偿端C、电位器P2、瓦斯传感器的检测端D、工作地依次串接，从电位器P2的滑动臂输出瓦斯传感器信号电压UA，所述基准电压电路，由12V供电、电阻R5、电位器P1、电阻R6、工作地依次串接，从电位器P1的滑动端输出基准信号电压UB，所述瓦斯传感器信号电路的输出信号UA通过反向连接的二极管D2以及电阻R1形成所述比较器电路A1的同相端电压U+；所述基准电压电路产生的基准信号UB通过反向连接的二极管D1形成所述比较器电路的反相端电压U-，比较器A1的输出端通过电阻网络R2R1向A1同相端引入正反馈，使A1形成一个滞回比较器电路，瓦斯浓度增加时，瓦斯传感器信号电路输出信号电压降低，由于反向二极管D1、D2的存在，使滞回比较器的基准端与输入端角色发生逆转，比较器A1变成一个加了参考电压的反相输入滞回比较器，这个参考电压就是目前的传感器输出信号电压UA，滞回比较器A1输出端与反相端之间的阻容网络R3C1与比较器一起构成一个所述的多谐振荡器电路，从而使比较器A1兼具振荡功能和比较功能，将二者合二为一，多谐振荡电路产生矩形波信号驱动所述报警电路工作，产生声光报警。

全文数据：一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法技术领域本发明涉及一种异于寻常结构的便携式瓦斯报警器模块的技术，尤其是一种不同于传统瓦斯报警器利用比较器电路的输出去驱动振荡器电路的工作的电路结构，从而改变了原来报警电路通常由比较器和振荡器两部分电路组成的设计惯例。本设计独出心裁，将比较器和振荡器合二为一，从而使比较器电路兼具比较和振荡的功能，这样的瓦斯报警器电路结构更加简洁、成本更加低廉，工作更加稳定、灵敏度更高，不啻是一个新颖的尝试。这种不同寻常的瓦斯报警器电路结构也可以对其它各种环境诸如水位、温度、压力等实施报警。背景技术在现代化煤矿企业，为了保证人民财产和生命的安全，安全设施可以说已经武装到了牙齿，其中瓦斯报警器是一种最重要的安全设备之一，任何一个符合生产条件的中、大型煤矿，正是由于瓦斯报警器的广泛使用，才使当前煤矿瓦斯爆炸的发生几率降到了最低，所以瓦斯报警器的设计是否先进、简洁、稳定、高效，是保证煤矿安全生产的重要条件之一。在实际应用中若想对煤矿井底工作面环境的瓦斯浓度实施报警设计，通常利用瓦斯传感器对井底瓦斯浓度的检测所取得的模拟电压值作为一个通用比较器的同相输入端电压，比较器的反相端设置一个固定不变的基准电压（为了实现电桥调零，有时基准电压值可以调节，但调完零后，仍然还是固定值，故为了描述方便，假定基准值为一固定值），随着井底瓦斯浓度发生变化，瓦斯传感器输出量发生改变，该输出量与基准值的差值的正负号一旦发生变化，比较器的输出极性立刻发生变化，从而触发与比较器相连接的振荡器起振，振荡信号推动喇叭发声。故通常便携式瓦斯报警器电路一般由通用比较器电路和振荡电路组成，二者缺一不可。这种设计的优点是技术成熟，应用广泛，但报警器电路设计不是很简洁、设计成本较高。设计一个不同寻常的便携式瓦斯报警器模块电路，针对通常瓦斯报警器设计中比较器电路输出值只能作为多谐振荡电路触发信号的特征，本设计能够使比较器的基准电压值，可以随着比较器的输出极性的变化而呈指数曲线变化，从而使瓦斯传感器的输出量与基准值得差值的正负号发生有规律的变化，最终可以实现比较器既有比较器功能、又有振荡器功能，将比较器电路和振荡器电路合二为一。其实该瓦斯报警器模块电路可以普遍适用于多种工矿环境的报警，诸如工矿环境的水位、温度、压力等变化实施报警，具有广泛的使用范围，性价比很高。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种结构更加简单、造价更加低廉、使用更加可靠、灵敏度更高的不同于常规设计的瓦斯报警器设备。为实现上述目的，本发明提供一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其包括一个瓦斯传感器信号电路、一个基准电压电路、一个比较器电路、一个正反馈电路、一个多谐振荡器电路、一个声光报警电路。所述瓦斯传感器信号电路的输出信号通过反向连接的二极管D2以及电阻R1形成所述比较器电路A1的同相端电压U+；所述基准电压电路产生的基准信号通过反向连接的二极管D1形成所述比较器电路的反相端电压U-；比较器A1的输出端通过电阻网络R2R1向同相端引入正反馈，使A1形成一个滞回比较器电路；瓦斯浓度增加时，瓦斯传感器信号电路输出信号电压UA降低，由于反向二极管D1、D2的存在，使滞回比较器的基准电压端角色与信号输入端角色发生逆转，比较器A1变成一个加了参考电压的反相输入滞回比较器，这个参考电压就是目前的传感器输出信号电压UA；滞回比较器A1输出端与其反相输入端之间的阻容网络R3C1与比较器一起构成一个所述的多谐振荡器电路，从而使比较器A1兼具振荡功能和比较功能，将二者合二为一，多谐振荡电路产生矩形波信号驱动所述报警电路工作，产生声光报警。所述传感器信号电路，12V供电、瓦斯传感器的补偿端C、电位器P2、瓦斯传感器的检测端D、工作地依次串接，从电位器P2的滑动臂输出瓦斯传感器信号电压UA。所述基准电压电路，12V供电、电阻R5、电位器P1、电阻R6、工作地依次串接，从电位器P1的滑动端输出基准信号电压UB。附图说明附图1、附图2、附图3用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1是传统报警器电路结构图。附图2是异于寻常的瓦斯报警器模块电路电气原理图。附图3是基于滞回比较器的多谐振荡器关键点波形图。具体实施方式传统瓦斯报警器电路的电路结构简介：传统瓦斯报警器电路通常包含比较器电路和振荡器电路两部分，如图1所示，该电路是一个典型的传统报警器电路，为了不与本文重点部分有重复，以一个工矿企业常见变压器超温报警电路代替传统瓦斯报警器电路来描述，其实它们结构本来就相似。该电路是将电流互感器SB1、SB2接于三相电源某两相线上，正温度系数热敏电阻器RT（传感器）浸没在变压器油中。SB1、SB2二次侧感应出的交流电压经整流管VDI整流、电阻R1、电容C1滤波后，在A点具有一定的电位，以这个电位作为比较器（运算放大器uA741）的基准电位。当油温升高后，RT的阻值也增大，使运算放大器的3脚电位（传感器输出电位）大于2脚（A点，基准电位）电位，于是在IC1的6脚输出高电平，使晶体管T1、T2与电容C2、以及喇叭组成的音频振荡器工作，于是喇叭和发光二极管LED便发出了声光报警信号。比较器、振荡器合二为一的瓦斯报警器模块电路的设计：本设计所要实现的目的是，当被监视和被测量的煤矿工作面环境所使用的瓦斯传感器输出电压下降到基准电压以下时，监测电路能用声音以及闪光来对该变化进行报警，本瓦斯报警器模块电路使用运算放大器组成一个比较器，不同于传统的报警电路，这个瓦斯报警电路中的比较器的基准端电压可以随比较器输出的极性变化而呈指数型变化，故该运算放大器电路可以同时起比较器和振荡器的作用，二者合二为一。瓦斯报警器模块电路电气原理如附图2所示。在附图2中，可以看到，该系统电路包括瓦斯传感器信号电路、基准电压电路、比较器电路、正反馈电路、多谐振荡电路、声光报警电路等6个模块电路。电阻R5、电位器P1、电阻R6构成测量电桥的基准电压产生电路，通过P1可以调节电桥的平衡；瓦斯传感器的检测端D和补偿端C以及电位器P2构成传感器信号电路，通过P2可以调节报警器的灵敏度。反接的二极管D2和电阻R1组成传感器信号输入电路，附图2中的A端是传感器电压输入端，A端电压通过传感器信号输入电路进入比较器A1的同相输入端，形成同相输入端U+电压。反接的二极管D1形成基准电压输入电路，附图2中的B端是基准电压输入端，B端基准电压通过D1进入比较器A1的反相输入端，形成反相输入端U—电压。二极管D1的反向连接对形成基准电压振荡作用很大。电阻R4、发光二极管D3组成光报警电路；晶体管T、喇叭LS组成声报警电路。电阻网络R2R1组成了比较器的正反馈电路。运算放大器A1构成一个电压比较器电路，将传感器电压与基准电压作比较。由电容C1以及电阻R3组成的微分电路与比较器A1构成多谐振荡电路，比较器输出不断翻转，由于二极管D1的反接，导致电容C1不断通过电阻进行充放电，形成一个锯齿波振荡信号。由运放A1与正反馈网络形成滞回比较器:由于电压比较器A1具有很高的增益，如果不采取措施，既使比较器输入电压变化极小，也会使比较器输出翻转，从而产生大量的开关噪声，这种报警器电路极容易误报，不是我们需要的。为了避免出现这种情况，通过电阻网络R2R1给比较器的同相输入端加有一个正反馈网络，这种由运算放大器A1和正反馈网络构成的比较器叫滞回比较器电路。这里的滞回比较器其磁滞特性由电阻比值R2R1决定，即决定了滞回比较器的上升沿阈值电压UT2与下降沿阈值电压UT1的值。由于运放A1将比较功能和振荡功能合二为一，而且本设计电路在正常情况与报警情况下比较器的输入端角色与参考端角色将要发生逆转，这种特殊的设计理解起来不是太容易。在正常情况即工矿环境没有报警的情况下可以这么理解：传感器输出电压UA是滞回比较器的输入端，基准电压UB是滞回比较器的基准电压输入端，这时的阈值电压计算比较复杂，而且我们重点讨论报警情况下的状态，故这时阈值电压的计算略去。正常情况下比较器输出高电平，报警器静默。一旦由于瓦斯浓度上升导致瓦斯传感器输出电压UA值下降到正常情况时的比较器的下降沿阈值电压，再减小一个无穷小量，比较器的输出立即反转为“0”电平，电路将进入报警状态。电路进入报警状态以后，比较器反相端电压U-由于电容C1的充放电作用处于振荡状态，故这时滞回比较器的输入端变成U-电压，基准端反转为UA电压，由于这一时刻的瓦斯浓度信号为一固定值，实际上电路变成一个“加了参考电压（实际就是瓦斯浓度信号电压）的反相输入的滞回比较器”，这时滞回比较器的阈值电压由以下几步求出：令U—=U+,求出的U—就是这时的阈值电压，因此得出：以上二式中UCC=12V。瓦斯报警器电路报警工作过程详解在瓦斯浓度正常的情况下，比较器输出电压为高电平12V，发光二极管D3保持熄灭状态，晶体管T截止，喇叭LS保持静声状态。瓦斯浓度的增加导致传感器输出电压UA降低，比较器输出反转为低电平“0”，发光二极管D3发光；晶体管T导通，喇叭LS中瞬间通过直流电压，电路即将进入报警状态。由于发光二极管D3导通发光，故反馈网络R2R1多少能使U+电压减少一点，使比较器的正反馈深度进一步加深。12V电源对电容器C1通过电阻R3以及比较器的输出端（6脚）进行充电，由于电容具有端电压不能突变的特点，在比较器输出反转为低电平的瞬间，电容器C1下端电压（即比较器2脚，反相端电压）仍保持为原电平，随着电容C1充电的进行，比较器反相端电压U-呈指数形式降低，如图3之U-所示，其中UT1、UT2分别为滞回比较器的下降沿和上升沿阈值电压，U+，和U+，，分别为上升沿阈值电压和下降沿阈值电压对应的比较器同相端电压。随着比较器反相端电压的降低，二极管D1截止，B端的电压（即原基准电压）就不再影响比较器反相端电压U--，当比较器反相端U--电压下降到上文求出的阈值电压UT1，再减小一个无穷小量，比较器的输出端又翻转为高电平12V，发光二极管D3熄灭，晶体管T截止，喇叭LS中无电流通过。由于发光二极管D3截止发光，故反馈网络R2R1多少能使U+电压增加一点，使比较器正反馈深度进一步加深。比较器输出端翻转为高电平的瞬间，电容器C1下端电压仍保持为原电平，12v高电平再一次通过电阻R3对电容C1进行反向充电，随着电容C1反向充电的进行，比较器反相端电压呈指数形式升高。比较器反相端U--电压逐渐升高至阈值电压UT2，再增加一个无穷小量时，比较器输出端又反转为“0”电平，发光二极管又重新再亮；晶体管T重新导通，喇叭LS中又瞬间通过直流电压。所以只要瓦斯传感器输出电压即A端电压低于预定值，由于反向连接二极管D1的存在，比较器的反相输入端电压U--信号就会以一定频率振荡，发光二极管以一定频率闪光；晶体管T以一定频率导通或截止，喇叭LS中通过一定频率的脉冲直流电流，发出报警声，如图3。报警信号的周期可简单用以下公式计算：t≈2R3C1ln（1+2R1R2）其中t单位为秒；电阻单位为欧姆；电容单位为法拉。瓦斯报警器报警过程的结束:瓦斯浓度恢复正常，UA电压升高，U+电压也必将增大，只要U-的振荡电压在某一时刻降低到U+，再降低无穷小量时，强烈的正反馈将会使比较器输出翻转为高电平，由于这时比较器的“基准”与“输入”角色再一次换位，比较器恒定输出高电平而不再振荡，如图3，报警过程结束。本报警器模块电路通过巧妙地将开关二极管D1反接，然后利用电容C1的充放电功能，使原本稳定的基准电压变为不稳定的振荡电压，该振荡电压通过与瓦斯传感器输出信号的比较，使比较器输出矩形波振荡信号。从而改变了原来报警电路通常由比较器和振荡器两部分电路组成的设计惯例，是一个新颖的尝试。本设计经过仿真电路仿真测试，电路结构完美、元件参数准确。

权利要求：1.一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其包括一个瓦斯传感器信号电路、一个基准电压电路、一个比较器电路、一个正反馈电路、一个多谐振荡器电路、一个声光报警电路；所述瓦斯传感器信号电路的输出信号通过反向连接的二极管D2以及电阻R1形成所述比较器电路A1的同相端电压U+；所述基准电压电路产生的基准信号通过反向连接的二极管D1形成所述比较器电路的反相端电压U-；比较器A1的输出端通过电阻网络R2R1向同相端引入正反馈，使A1形成一个滞回比较器电路；瓦斯浓度增加时，瓦斯传感器信号电路输出信号电压降低，由于反向二极管D1、D2的存在，使滞回比较器的基准端与输入端角色发生逆转，比较器A1变成一个加了参考电压的反相输入滞回比较器，这个参考电压就是目前的传感器输出信号电压UA；滞回比较器A1输出端与反相端之间的阻容网络R3C1与比较器一起构成一个所述的多谐振荡器电路，从而使比较器A1兼具振荡功能和比较功能，将二者合二为一，多谐振荡电路产生矩形波信号驱动所述报警电路工作，产生声光报警。2.根据权利要求1所述的一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其特征在于：所述传感器信号电路，12V供电、瓦斯传感器的补偿端C、电位器P2、瓦斯传感器的检测端D、工作地依次串接，从电位器P2的滑动臂输出瓦斯传感器信号电压UA。3.根据权利要求1所述的一种区别于传统结构的瓦斯报警器及实现方法，其特征在于：所述基准电压电路，12V供电、电阻R5、电位器P1、电阻R6、工作地依次串接，从电位器P1的滑动端输出基准信号电压UB。

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