Сигнализаторы загазованности воздуха, общие термины и понятия

ВВЕДЕНИЕ

 

Природный газ – смесь газов, образовавшихся в недрах Земли при анаэробном разложении органических веществ.Основную часть природного газа составляет метан (CH4) – от 92 до 98%.В состав природного газа могут также входить более тяжёлые углеводороды – гомологи метана:

- этан (C2H6);

- пропан (C3H8);

- бутан (C4H10).

Предельно допустимая концентрация – это концентрация различных токсических химических веществ, содержащихся в воздухе промышленных предприятий в виде газов, паров и пыли. Для метана концентрационные пределы воспламенения в смеси с воздухом, проценты объемной концентрации, равны: нижний – 5%, верхний – 15%. Для природного газа конкретного состава концентрационные пределы воспламенения определяют в соответствии с ГОСТ 12.1.044.

Нижний (верхний) концентрационный предел распространения
пламени – это минимальное (максимальное) содержание горючего вещества в однородной смеси с окислительной средой, при котором возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Целью данного дипломного проекта является разработка сигнализатора загазованности воздуха. В ходе работы будет выполнено составление структурной и принципиальной электрических схем, будут произведены расчеты функциональных узлов принципиальной схемы, сформулированы принципы работы проектируемого устройства, выполнены расчеты по эксплуатационной надежности, технологические расчеты корпуса, разработка руководства по эксплуатации.[1]

 

ОБЗОР И АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ И ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

Обзор литературы

 

Сигнализаторы загазованности воздуха, общие термины и понятия

 

Любое помещение, в котором используется газовое оборудование, должно проверяться на уровень концентрации в воздухе продуктов сгорания газа. Для измерения этого параметра и обеспечения безопасных условий в быту и в промышленности используется специальный аппарат – сигнализатор загазованности воздуха.

Основной функцией этих приборов является контроль уровня горючих газов в воздухе. При достижении определенной концентрации газа, прибор включает звуковое и световое оповещение об утечке, что позволяет людям своевременно отреагировать и предотвратить аварию.

Современные модели датчиков оснащены жидкокристаллическим дисплеем, на котором отображаются измеряемые показатели. Встроенная память позволяет фиксировать полученные данные и хранить все результаты измерений. Также на дисплее выводится информация о работоспособности прибора и имеющихся неполадках.

Газосигнализатры широко используются на промышленных объектах, где используется газ, в котельных и в помещениях бытового назначения. Приборы,зависимости от назначения, делятся на промышленные и бытовые. Промышленные имеют более сложное устройство и представляют собой комплексы, состоящие из пультов управления и датчиков. Приборы бытового назначения утроены проще и предназначены для измерения концентрации газов, часто используемых в быту: метана (CH4); пропана(C3H8) окиси углерода (CO), которая известна как «угарный газ».

Угарный газ наиболее опасен, так как не имеет ни запаха, ни цвета, ни вкуса, в отличие от пропана и метана, которые можно ощутить по запаху. Он соединяется с гемоглобином крови в 300 раз быстрее кислорода и блокирует его поступление в кровь. Действуя на головной мозг и нервную систему, окись углерода убивает очень быстро.

Основными причинами повышения загазованности помещений  становятся неисправности оборудования или неверный режим эксплуатации газовых приборов, к которым относятся отопительные котлы, кухонные газовые печи, газовые колонки для нагрева воды.

По режиму работы сигнализаторы загазованности могут быть:

- с постоянным режимом;

- с периодическим.

В зависимости от вида используемых датчиков они делятся на:

- оптические;

- химические; термохимические.

Газосигнализатор может представлять собой:

- моноблок, когда датчики встроены в сигнализатор;

- блок управления с выносными датчиками.

По количеству определяемых газов приборы могут быть одно или двухкомпонентными. Первые могут определять только один вид газа (окись углерода или метан), а вторые – оба. Приборы с выносными датчиками могут иметь один или два канала измерения. К каждому из каналов подключается датчик, определяющий какой-либо вид газа. Использование выносных датчиков делает возможным контролировать уровень загазованности на расстоянии до 200 м.

Основные функции, присущие практически всем видам датчиков:

- звуковое и световое оповещение превышения уровня загазованности;

- выходное реле, через которое можно подключить такие устройства как дополнительный оповещатель, вытяжной вентилятор, сигнал на диспетчерский пульт и некоторые другие;

- возможность подключения электромагнитного клапана, отсекающего подачу газа;

- выходы для подключения дополнительного оборудования от датчика;

- у некоторых приборов реализована возможность работы от автономного источника питания.

Сигнализатор монтируют на стене в том месте, где наиболее вероятна утечка газа (возле котла, газовой колонки или счетчика, около газовой плиты). Расстояние по горизонтали от газового прибора не должно превышать 400 см.

Есть места, где запрещается размещать газосигнализатор:

- установка газосигнализатора рядом с открытыми окнами или около вентиляционных каналов;

- рядом с неизолированными дымоходами;

- в тех местах, где на прибор может попасть жир, пыль, пар или пепел;

- не расстоянии менее, чем 100 см от газовых духовок и горелок;

- в местах, где хранятся бензин, растворитель или краски.

Места крепления датчиков также регламентируются в зависимости от того, какой именно газ должен определять сигнализатор:

- окись углерода – не ниже, чем на высоте 180 см от пола и не выше, чем 30 см от потолка;

- метан – не ниже, чем 50 см от потолка;

- пропан – не выше чем 50 см от пола;

- комбинированный датчик, определяющий как метан, так и угарный газ – на расстоянии от 30 – 50 см от потолка.

Высота установки зависит от плотности газа. Пропан тяжелее метана и окиси углерода, поэтому скапливается вблизи от пола.

Такое небольшое и недорогое устройство может предотвратить страшные аварии, связанные с гибелью людей и разрушением зданий.[2]

 

1.1.2 Устройства для определения увеличения концентрации газа

 

Устройства для определения увеличения концентрации газа (датчики) в окружающей среде подразделяются на три типа:

- полупроводниковые;

- каталитические;

- инфракрасные.

В основе каталитических датчиков лежит принцип превращение газа на воду и углекислый газ при его горении. Их принцип действия заключается в том, что во время прохождения воздушных потоков с увеличенной концентрацией газа через анализатор, начинается горение газа, во время которого происходит изменение сопротивления на платиновой катушке. Вторая катушка с измерительным мостом используется в электрической сети для определения увеличения температуры. При этом, в прямой зависимости находятся измеряемое сопротивление и концентрация частиц газа в воздухе.Для того, чтобы на катушку не воздействовали внешние факторы, на разных концах цепи располагаются термически согласованные шары, покрытые тонким слоем стекла. Они действуют в качестве компенсатора. Несмотря на то, что пламегаситель немного замедляет реагирование датчика, поступление информации о повышении концентрации поступает уже спустя два-три десятка секунд.

В полупроводниковых датчикахна чувствительный элемент из кремниевой пластины наносится тонкая пленка из окиси металла. Когда на поверхность окиси попадает газ, он поглощается ей и изменяет сопротивление, которое прямо пропорционально концентрации ядовитого вещества в воздухе.

В промышленности применяются редко, так как недостаточно точны для определения некоторых газов. Недостатком также является медленное реагирование и длительное восстановление, требуют постоянного контроля со стороны.

Инфракрасные датчики используются в маломощном оборудовании для определения утечки газа промышленного назначения. По сравнению с каталитическими они обладают быстрым откликом, низким эксплуатационным расходом энергии, упрощенный контролем. Основан принцип работы таких устройств на поглощении чувствительным элементом пары волн при попадании на него света. Они лежат в инфракрасном диапазоне. Одна из волн является эталонной, вторая – исследуемой. Два пульсирующих источника излучают свет, который проходит через две среды и возвращается назад. Затем детектор сравнивает полученные сигналы и путем вычитания их сил определяет концентрацию газа в окружающей среде.

 

1.1.3 Аналоги разрабатываемого устройства. Описание существующих конструкторских решений

 

Датчики контроля загазованности делятся на два основных вида: бытовые и промышленные. Сигнализаторы бытового применения обеспечивают ряд реакций на превышение установленного параметра концентрации газа. Основные задачи промышленного датчика – измерение и отображение на дисплее показателей загазованности. Промышленные приборы применяются для решения более жестких задач и часто используются вместе с пультом управления, на который и осуществляется подача сигнала от датчиков газа.

По типу измеряемого газа различают сигнализаторы:

- метановые;

- пропановые;

- для измерения концентрации угарного газа или окиси углерода;

- комбинированные многокомпонентные.

По способу установки газовые датчики бывают:

- стационарные – работают только от электросети и размещаются вблизи от источника электропитания;

- переносные– питание осуществляется от встроенного аккумулятора.

Рассмотрим следующие варианты исполнения аналогичных устройств.

На рисунке 1.1 представлен сигнализатор загазованности ЗОРД-УГС-02.

 

Рисунок 1.1–Сигнализатор загазованности ЗОРД-УГС-02

 

Модель 2013 года с улучшенными характеристиками. Применение нового датчика с высокой стабильностью и более ранним обнаружением опасных концентраций горючих газов а также с увеличенным ресурсом службы позволило увеличить срок гарантийного обслуживания до 24 месяцев.Газовые сигнализаторы ЗОРД УГС-02 предназначены для обнаружения в воздухе помещений опасной концентрации горючих газов (природного, или сжиженного). В данной модели реализована схема автоматического возврата в дежурный режим после отключений электроэнергии. Газовые сигнализаторы предназначены для обнаружения в воздухе помещений опасной концентрации горючих газов в жилых, административных, производственных зданиях и сооружениях (в газовых котельных, на кухнях и т.д.), не имеющих взрывоопасных зон.

Сигнализаторы предназначены для круглосуточной непрерывной работы с питанием переменным током с номинальным напряжением 220Ви частотой 50Гц. Сигнализатор при срабатывании включает световую и звуковую сигнализацию, а также выдает во внешние цепи электрический управляющий импульс для закрытия электромагнитного импульсного газового клапана.Сигнализатор имеет релейный выход с нормально закрытым или нормально открытым контактом, управляемый при срабатывании.

Дополнительные характеристики:

- размеры: 110х70х40 мм;

- длина шнура: 1.4 м;

- уровень звукового сигнала: 75 дБ;

- контакты реле: 3 А, 250 В;

- вес: 280 г;

- импульсный сигнал: 12 В, 300 мс;

- температура эксплуатации: -10 Сº… + 55 Сº;

- влажность: не более 95 %. [3]

Сигнализатор загазованности СИКЗ предназначен для выдачи сигнализации и управления исполнительными устройствами при превышении установленного порога концентрации горючих газов (природный газ (метан, СН₄), сжиженный газ (пропан-бутан) в воздухе.

 

Рисунок1.2–Сигнализатор загазованности СИКЗ

Применяетсяв помещениях котельных различной мощности, работающих на природном и сжиженном газе, а также во взрывобезопасных зонах производственных, административных и жилых помещений.

Достоинства:

- объединение в единую систему с сигнализатором угарного газа БУГ для одновременного контроля СО и СН₄;

- надежная микроконтроллерная схема;

- дублирующее сигнальное устройство (УСД);

- разъемное соединение кабелей;

- простая установка и монтаж сигнализатора;

- подключения внешних исполнительных устройств 220В 2А (клапан большого диаметра, вытяжка, дополнительная сирена и пр.) через устройство релейное УР-3;

- открытое или закрытое положение клапана при отключении электроэнергии. [4]

Система контроля загазованности ЭКО-М предназначена для непрерывного автоматического контроля довзрывоопасных концентраций природного газа (метан, СН₄) и предельно допустимых концентраций оксида углерода (угарный газ, СО) в воздухе помещений, контроля пожара и для управления исполнительными устройствами.

 

Рисунок1.3–Система контроля загазованности ЭКО-М

Применяется в помещениях котельных различной мощности, работающих на природном и сжиженном газе, а также во взрывобезопасных зонах производственных, административных и жилых помещений.

Достоинства:

- объединение в единую систему с сигнализатором загазованности для одновременного контроля СО и СН₄;

- подключение до трех датчиков на метан (пропан-бутан) и CO;

- релейный выход для подключения технологического оборудования;

- выход на сигнальное дублирующее устройство УСД;

- раздельная индикация и запоминание аварии по каждому газу;

- автоматическое тестирование наличия неисправностей и обрыва линии датчиков.

Применяемые датчики:

- блок датчика на угарный газ – БУГ;

- блок датчика на метан/пропан-бутан – СИКЗ;[5]

Cигнализаторы загазованности малогабаритные бытовыеСЗМБ-1-04(без возможности использования в паре с клапаном-отсекателем).

 

Рисунок1.4–Cигнализаторы загазованности малогабаритные СЗМБ-1-04

 

Cигнализаторы загазованности малогабаритные бытовые СЗМБ предназначены для круглосуточного непрерывного автоматического контроля концентрации в воздухе природного или сжиженного углеводородного газов в помещениях, не относящихся к взрывоопасным по ПУЭ.

Областью применения сигнализатора могут быть помещения жилых домов и котельных, работающих на природном или сжиженном углеводородном газе.

СЗМБ не является средством измерения. Сигнализаторы выдают извещение о тревоге при достижении в воздухе концентрации горючих газов в пределах 10...20% НКПР. При срабатывании обеспечивается звуковая и световая сигнализация, а на выходной разъём СЗМБ 1-05 также подаётся напряжение +12В для включения электромагнитного клапана-отсекателя.

 

Рисунок1.5– Варианты установки сигнализатора

 

Сигнализатор СЗМБ-1 может выпускаться в двух исполнениях:

– исполнение 04, в котором обеспечивается звуковая и световая сигнализация при повышении концентрации горючих газов в воздухе (природного или сжиженного) выше установленных порогов;

– исполнение 05, в котором обеспечивается звуковая и световая сигнализация при повышении концентрации горючих газов в воздухе выше установленных порогов и есть возможность перекрытия подачи газа при помощи электромагнитного клапана.

Подача контролируемой смеси к чувствительным элементам датчика сигнализатора диффузионная.[6]