专利名称：矿灯式瓦斯报警器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及的矿灯式瓦斯报警器是对以闪烁方式报警的瓦斯报警装置的改进设计。
矿灯是井下作业矿工必备之物，所以采用矿灯闪烁方式报警的瓦斯报警装置较之诸如声、光等类报警装置意义更大。但目前国内外研制的这类产品均存在一些缺陷。如国内产品有的电路中采用了控制继电器，其动作时有火花产生，不符合井下防爆要求。这类产品还普遍存在着工作不可靠、常常发生误报警的缺陷，主要原因是气敏传感器所用催化气敏头结构缺陷而导致气敏头动态工作性能差而大大降低了这类产品的使用价值以致根本无法应用。公知的气敏头一般是将催化元件(黑元件)和补偿元件(白元件)共同封装一个气室中结构，而因二元件是在高温(一般约900℃)状态下工作的，且矿工配戴矿灯操作使气敏头处于随机性空间位移的工作状态实施探测，极易造成封装黑、白元件的气室内产生空气对流，气室内热动力的影响将使黑、白元件各自正常工作温度场变化而导致产生误信号报警。这种由于气敏气室内热动力影响而产生误信号(非可燃性气体浓度超限产生的输出信号)报警是矿灯闪烁式瓦斯报警器不能普及应用于生产实践的主要因素。再如，法国生产的矿灯式瓦斯报警器其控制电路功耗太大，其正常工作电流达465～500mA，难以与我国目前井下使用的矿灯蓄电池配套使用。
本实用新型之目的在于为克服上述公知技术中存在的缺陷，提高报警器的工作性能及使用价值，而提供一种新型的矿灯式瓦斯报警器。
为达到上述目的而采用的技术方案为这种将报警器壳体固结在矿灯上而组成的采用矿灯闪烁报警方式的矿灯式瓦斯报警器，其特征在于，该报警器还具有如下电路单元a.矿灯及其供电电源之间具有无触点开关式亮度控制电路；b.用具有将黑、白元件即分别封装于各自独立的小腔室、两小腔室又同封装于一个气室结构特性的气敏头作为探测元件而构成的检测电桥；其工作电流由由C电源经由检测桥稳流电路、和电源经由无触点开关式亮度控制电路二路共同保持供给；d.具有接收、处理检测电桥输出的瓦斯报警信号，输出调制信号，控制无触点开关式亮度控制电路开关工作状态的开关控制电路。另外开关控制电路中还设置有抗干扰电路。
按上述方案制作的瓦斯报警器具有如下优点。因检测电桥采用了新型黑、白元件封装结构的气敏头作为探测元件，可避免因矿灯随机性位移产生的热动力影响而导致误信号报警，从而大大提高了报警器的工作可靠性和稳定性。电路中设置有抗干扰电路可进一步提高报警器工作稳定性能。而选用无触点开关式亮度控制电路工作时无火花，满足防爆要求。由于电路单元之间巧妙的接线使无触点开关式亮度控制电路的工作驱动电流、又是检测桥的供电电流，其实质作用是电源不单独提供驱动电流而使整机功耗大大降低。另外本开关控制电路选用了集成电路而使电路结构简单工作可靠。
附图给出了本实用新型的实施例。
图1为本矿灯式瓦斯报警器的结构示意图。图2为本矿灯式瓦斯报警器控制电路原理方框图。图3为图2展开的具体控制电路原理图。图4为催化气敏头结构示意图。图5为图4的A－A及B－B向剖视图。图6为图4的C－C向剖视图。
参见图1。本瓦斯报警器主要由壳体(2)、置于壳体(2)内且固结其上的控制电路板(3)、催化气敏头(4)等构成。通过空心螺杆(5)将与矿灯配套使用的电源(BT)电缆(6)固结在壳体(2)上，为矿灯及报警器提供电源。通过空心螺杆(7)将壳体(2)固结在矿灯总成(1)上而构成矿灯式瓦斯报警器，使用时利用弹簧夹(8)将其挂置于安全帽(9)上。
参见图2。装连于控制电路板(3)上的控制电路主要由如下电路单元构成在矿灯与其供电电源之间具有无触点开关式亮度控制电路单元(简称开关电路)；具有检测电桥(简称检测桥)；以及具有接收、处理检测桥输出的瓦斯报警信号、输出调制信号、控制开关电路的工作状态的开关控制电路(简称开关控制电路)；检测桥工作电流由电源经由检测桥稳流电路、和电源经开关电路二路共同保持供给。
下面参见图3进一步说明。由图3可见，在电源(BT)与矿灯(L)形成的照明回路中串接有控制矿灯(L)明、暗照度的开关电路。该电路主要由PNP型晶体管亦称开关管(G1)与二极管(D5)并联而构成。开关管(G1)具有饱和导通或截止二种工作状态，饱和导通时其饱和管压降Vce≈0.2～0.3V0二极管(D5)的正向管压降约为0.7V由于两管的管压降不同而使矿灯(L)有亮、暗二种工作状态即(G1)导通时，电源(BT)经G1向L供电，矿灯(L)正常发光(呈亮状态)；而G1截止时，电源(BT)经(D5)为L供电，矿灯L则以较低电压工作而发暗光(呈暗状态)。开关管(G1)的基极连接有驱动晶体管亦称驱动管(G2)，它亦有二种工作状态即当G2导通时向G1提供基极电流使G1饱和导通工作；而G2呈阻断工作状态时不能为G1提供驱动电流而使开关管(G1)截止。
检测桥单元，其作用是实现气／电转换，即时刻将周围环境中瓦斯浓度转换为电量信号输入给开关控制电路处理。其结构形式为由催化可燃气体检测元件亦称黑元件(Rc)，补偿元件亦称白元件(Rd)及与其并联的补偿电阻(R9)作为测量桥臂；以电位器(W)作为辅助桥臂而构成的惠斯登电桥。对测量桥臂来讲，本例中当2V左右的工作电压施加于黑、白元件(Rc、Rd)两端时其有电流通过，使二元件温度升高(约900℃)，温度达到平衡后，黑、白元件(Rc、Rd)联结点
输出一电压VA。当有可燃气体接触到黑元件(Rc)时，在其上进行催化无焰燃烧使黑元件(Rc)温度升高、阻值增大，而使
点输出电压VA升高。对辅助桥臂而言，以电阻器(W)作为瓦斯浓度报警点的设点器件(报警点通常在1％～2.5％CH4范围内设定并连续可调)，其
点输出电压为VB。
检测桥单元供电电路。本实施例中检测桥工作电流一方面是由电源电压(E)为4伏电源(BT)经由晶体管亦称调整管(G3)、电阻(R1)组成的检测桥稳流电路提供的。由电阻(R1)与四个二极管(D1、D2、D3、D4)正向串接组成稳压基准电源，使调整管(G3)发射集产生2伏左右稳定的输出电压(V0)。电压(V0)一方面供检测桥之用，一方面又为驱动管(G2)提供了电源。这样从向检测桥提供工作电流的角度来看，流经检测桥的工作电流相当于由驱动管(G2)的工作电流及稳流电路的调整管(G3)二路共同维持提供。即当G2呈导通工作状态时，电桥工作电流是由G2的工作电流及调整管(G3)二路提供；而当G2呈阻断工作状态其无工作电流，电桥工作电流则由调整管(G3)单独提供。
开关控制电路，该电路主要由四个单元构成。其一是完成接收、判别处理检测桥输出的瓦斯报警信号任务的电压比较器单元。它是由OC门极开路输出的电压比较器LM339(u1C)构成的，其同相输入端(＋)接于黑、白元件(Rc、Rd)联接点
，输入电压为VA；反相输入端(－)接于报警点设定电位器(W)的
点处，输入电压为VB。其输出端为(V1)。
其二为产生报警调制电信号的振荡电路单元。其由OC门电压比较器LM339(u1D)及电阻(R3、R4、R5、R6、R7、)电容(C1)构成的低频方波振荡器。其输出电压(V4)幅值近似在O～E之间。
其三为控制振荡器工作状态的振荡器控制闸门单元(简称闸门)。由OC门电压比较器LM339(u1A)构成，其(＋)端连接于比较器(u1C)的输出电压(V1)，其(－)端接于VB，其输出端为V2。
其四为输出报警信号开关控制单元。其由OC门电压比较器LM339(u1B)及电阻R8构成，其(－)端接于VB；其(＋)端与V4、V2连接。
本实施例选用一片OC门输出的四单元电压比较器的CMOS集成电路块(LM339)作为含上述四个单元的开关控制电路的核心部件。
参见图3。开关控制电路的工作过程是闭合矿灯(L)照明回路中的开关使其触点(A－a)、(B－b)、(C－c)、(D～d)闭合连通，当无可燃气体或其浓度较低时，比较器(u1C)输入端所接入的检测桥输出电压VA＜VB(设VB为1V)，则其输出端输出电压V1≈OV。V1≈OV使闸门(u1A)的输出电压V2≈OV，因其接于振荡器(u1D)的输出端及开关控制单元(u1B)的输入端，使V4钳制在OV则振荡器停振，亦使V3≈OV，开关控制单元(u1B)通过电阻(R8)吸入电流即电源电压(E)经G3、G2、电阻(R8)、(u1B)形成回路为G2提供工作电流，G2导通工作向开关管(G1)的基极提供驱动电流使G1饱和导通，则电源(BT)通过开关管(G1)向矿灯(L)供电，L正常发光(呈亮状态)；而当可燃气体浓度逐渐增大达到或超过报警浓度时，比较器(u1C)的输入端VA＞VB使V1逐渐升高，对闸门(u1A)的输入端来讲当V1＞VB，V2呈开路状态，对振荡器(u1D)、及开关控制单元(u1B)不产生影响，则振荡器(u1D)立即恢复起振，产生振荡频率f≈1～4HZ的方波振荡输出此时对开关控制单元(u1B)来讲，V2开路振荡器输出端V4输出O～＋E的方波，其中当V4＝OV时则V3＝OV其通过电阻(R8)吸入电流使驱动管(G2)工作、开关管(G1)饱和导通、矿灯(L)发亮光；当V4≈＋E时，V3为开路状态、R8中无电流流过、G2不工作、开关管(G1)截止，L呈暗照明状态。这样即当V2开路时，矿灯(L)的照明回路受到振荡器(u1D)的振荡电信号的调制而使矿灯(L)灯光随着调制信号频率发生亮度闪烁而报警。
另外本电路在比较器(u1C)及闸门(u1A)间还设置了由电阻(R2)、电容(C2)构成的抗干扰电路。当VA＞VB、V1输出电压受R2、Cc积分时间常数控制而逐渐升高，而当气体浓度小于报警值时(VA＜VB)，V1则立即无延迟恢复零电位。这样可避免一些瞬时产生的误信号报警。R2、C2时间常数可在1～20秒之间选定。
综上所述本方案的控制电路有如下特点。1采用CMOS集成电路块(LM339)作为控制电路核心部件，它功耗低、性能稳定可靠。尤其是输出为开路OC门使快恢复抗干扰电路，闸门电路、振荡器开关控制单元较为简洁，对其外围元件参数值要求较低。2抗干扰积分电路的增加使系统工作更为稳定可靠。使电路更适合于个人佩戴，工作环境变化较大的矿灯式瓦斯报警器的要求。3流过G2发射极的驱动电流又通过检测桥，所以该驱动电流同时还起了检测元件工作电流的作用。由于不单独提供驱动电流，使整个控制电路功耗大为降低。本实施例中检测桥需要的工作电流约为130mA左右。当G2导通时从地流过检测桥的130mA电流从V0点向G2分出一部分驱动电流(50～100mA)，其余部分通过稳流管(G3)提供。当G2截止时，130mA的工作电流全部通过G3提供。由于G3的调节作用，当上述工作方式发生变化时，V0点的输出电压基本不变，保证检测精度。由于驱动电流不单独提供，所以整机的工作电流基本上就是检测桥的工作电流。整机工作电流约140mA左右，整机功耗大为降低。而且正常照明工作或报警时控制电路的功耗基本不变。
参见图4、图5、图6所示催化气敏头(4)结构示意图。本气敏头主要由壳体(10)、透气罩(11)、罩布(12)、催化气敏元件(黑元件)(13)、补偿元件(白元件)(14)外罩(15)、以及用于与外电路连接的元件引脚(16)组合构成。其中黑元件(13)即电路中的Rc，白元件(14)即电路中的Rd。由图可见，通过外罩(15)使透气罩(11)固定于壳体(10)上，从而形成有气体混合室(简称气室)(17)。对称置中设在气室(17)内的还具有由壳体(10)内部结构与罩布(12)形成的两个相互独立的小腔室黑元件小腔室(18)、白元件小腔室(19)。黑、白元件(13)、(14)各自通过两个引脚(16)固定封装于各自的小腔室(18)、(19)内中心位置上。本例将小腔室(18)、(19)制成体积、形状相同的圆柱形腔室。
本实施例提供的催化气敏头，由于具有黑、白元件各自独立的小腔室(18)、(19)结构，黑、白元件(13)、(14)相互隔离使两元件的工作温度场保持独立而不相互影响，各自仅通过罩布(12)与气室(17)中气体保持扩散传递，因而也就避免了因温度场变化导致误信号产生。同时由于气室(17)的存在，使外部气体与黑、白元件小腔室(18)、(19)之间形成有一缓冲腔，它使两小腔室所处气体状态保持一致，从而提高了白元件(14)的补偿效果。同时使外部环境通过透气罩(11)进入探头的气体波动减弱，而使小腔室(18)、(19)中的气体受到的干扰更小。气室(17)有一定空间容积，黑元件(13)在工作时要消耗一定的待测气体，它的存在使小腔室(18)、(19)与探头外部实际气体环境浓度差变小，使检测结果更准确可靠。因本催化气敏头有动态工作稳定性能好的特点，尤其适用作为本矿灯式瓦斯报警器的气敏探测元件。
权利要求1.一种将壳体(2)固结在矿灯(1)上而构成的以矿灯闪烁为报警方式的矿灯式瓦斯报警器，其特征在于，固定在壳体(2)内的控制电路板(3)上装连有如下电路单元组合构成报警控制电路a.矿灯(L)及其供电电源(BT)之间具有无触点开关式亮度控制电路，b.用具有将黑、白元件(13)(14)即分别封装于各自独立的小腔室(18)(19)、两小腔室(18)(19)又同封装于一个气体混合室(17)内结构特性的催化气敏头(4)作为探测元件而构成的检测电桥，其工作电流由c.电源(BT)经由检测电桥稳流电路、和电源(BT)经由无触点开关式亮度控制电路二路共同保持供给，d.具有接收、处理检测电桥输出的瓦斯报警信号，输出调制信号、控制无触点开关式亮度控制电路工作状态的开关控制电路。
2.按权利要求1所述的报警器，其特征在于a所说的无触点开关式亮度控制电路可由受驱动管(G2)等元件组成的驱动电路驱动控制而改变工作的功率开关管(G1)与二极管(D5)并联而构成。
3.按权利要求1所述的报警器，其特征在于d所说的开关控制电路包括有用于比较、输出报警信号的比较器单元，受比较器输出控制工作的振荡器控制闸门单元，方波振荡器单元，以及方波调制信号输出报警开关控制单元。
4.按权利要求1或3所述的报警器，其特征在于所说的比较器单元和振荡器控制闸门单元之间还可设置有由R2与C2组成的抗干扰电路。
5.按权利要求1或3所述的报警器，其特征在于所说的开关控制电路可选用集成块(LM339)与其外围元件搭接制作而成。
专利摘要本实用新型提供了一种矿灯式瓦斯报警器。这种将壳体固结在矿灯上而构成的以矿灯闪烁为报警方式的报警器，其特点是具有如下控制电路单元a无触点开关式亮度控制电路；b选用通过改进黑、白元件封装结构而具有良好动态工作特性的催化气敏头作为探测元件而构成的探测电桥；且该电桥工作电流由c电源经检测电桥稳流电路和电源经开关电路二路共同维持供给；d具有开关控制电路。本报警器具有性能稳定可靠，整机功耗低等优点。
文档编号G08B17/11GK2075366SQ9020091
公开日1991年4月17日 申请日期1990年1月20日 优先权日1990年1月20日
发明者曾维鲁 申请人:水利电力部吉林水工机械厂