Контроллер утечки бытового газа.

Контроллер утечки бытового газа.

1. Вступление.

Средства массовой информации  (сокращённо – СМИ), а это газеты и журналы, радио и телевидение, Интернет и социальные сети доносят до нас громадное количество информации. С их помощью мы знаем все новости, что делается в мире, стране, городе, районе и даже на улице. Где и что произошло, подробности  происшествий и катастроф. И, к сожалению, нередко появляются сообщения об утечках и взрывах бытового газа.  А это часто сопровождается многочисленными человеческими жертвами, разрушениями жилых домов и человеческих судеб.

        На предотвращение таких трагедий направлены усилия МЧС, коммунальных газовых служб, различных комиссий и инспекций при  администрации городов и посёлков. Даже правительство озабочено печальной статисткой. Но взрывы, разрушения и гибель людей продолжаются с регулярным постоянством. Причиной  трагедий часто бывает разгильдяйство и безответственность , нарушения норм безопасности, технические неисправности, теракты и простые случайности. И этому часто предшествует банальная утечка газа. Порой незаметная и неслышная. Когда в результате утечки концентрация газа становится критической – взрыв происходит от самой малой искры, будь то искрение контактов выключателей и электрических моторов бытовой техники или даже искра от статического электричества при ношении синтетической одежды.

        Утечки тоже происходят по разным причинам: нарушена герметичность соединений газовых труб, неисправна газовая плита или водонагревательная колонка, кипящий чайник залил пламя газовой конфорки, озорной малыш или престарелый человек случайно открыли газовый краник плиты. И если за техническими неисправностями следят газовщики, то две последних причины  утечки – это человеческий фактор. И отследить их, дать вовремя сигнал тревоги должны технические устройства.

           Их создано за всю историю использования человеком природного газа множество: от канарейки в клетке до мощнейших анализаторов газового состава, которые могут определить десяток молекул газа среди миллионов молекул воздуха.

        Созданы и бытовые анализаторы и контроллеры утечки газа, которые можно свободно купить в магазинах бытовой техники, в интернет-магазинах или на всемирном рынке «Али-Экспресс».

Конечно, современный Китай стал мировой фабрикой, и делает практически всё, что душе угодно. И хорошего качества, и за весьма приемлемые цены.

2. Разработка.

Нам тоже интересно было попробовать свои силы и знания в деле безопасности при  использовании природного и сжиженного газа.

        Изначально ставилась цель: сделать максимально простую, недорогую конструкцию, в которой использовалось небольшое число общедоступных и недефицитных, даже бывших в употреблении радиодеталей.

        Самое главное в создаваемой конструкции – это датчик газа. Здесь размышлений «как сделать»  не было – только готовый. В интернете подобрали недорогой  китайский датчик газа MQ-2. 1 

 Его характеристики позволяют определить количество газа от 300 до 5000 p.p.m. сжиженного газа и метана (p.p.m. - величина, характеризующая количество молекул газа на 106 молекул воздуха), чего вполне хватает для определения утечки  ещё безопасной для взрыва газово-воздушной смеси.

        Принцип работы датчика таков: на раскалённой внутренней спиралью поверхности керамической трубки из двуокиси алюминия с покрытием из двуокиси олова в присутствии кислорода воздуха сгорает газ. Дополнительное тепло, образующееся от этого сгорания, меняет поверхностное сопротивление  трубки пропорционально сгоревшему газу в сторону уменьшения.(рис.2)  Рис.2

Ток от стабилизатора напряжения +5 (В), протекающий по цепи накала и поверхности трубки, создаёт падение напряжения Vout на нагрузочном резисторе RL, обратно пропорциональное изменению сопротивления датчика. То есть  чем больше концентрация газа в  воздухе, тем меньше сопротивление датчика.(рис.3)

Рис.3

Это напряжение можно сравнить с образцовым с помощью компаратора напряжения. При превышении Vout образцового напряжения, на выходе компаратора скачком установится напряжение высокого уровня. Порог срабатывания меняется резистором RL, таким образом, изменяется чувствительность датчика.

3. Принципиальная схема.

Принципиальная схема контроллера представлена на рис. 5.

На датчик газа MQ-2 питание 5 (В) подаётся через стабилизатор напряжения LM4275. Выбор стабилизатора не критичен, главное, чтобы он выдерживал ток 0,5 (А) и не нагревался.

Датчик газа с подстроечным  резистором R1 создают измерительную цепь моста R3, R4 компаратора напряжения. Компаратор собран на интегральном операционном усилителе (ОУ) К140УД6Б. Выбор ОУ обусловлен наличием микросхем данного типа. Вместо него можно применить любой другой с напряжением питания в однополярном варианте 12 (В). Полевой транзистор VT1 на неинвертирующем входе 3 ОУ служит в качестве реле времени, блокируя срабатывания компаратора при включении питания и разогрева датчика за  18-20 сек.

         При включении питания конденсатор С3 начинает заряжаться через резистор R4. Транзистор VT1 открыт и шунтирует вход 3 ОУ. При этом на выходе 6 низкий уровень напряжения. Транзистор VT2 закрыт, реле К1 находится в обесточенном положении.  Его нормально замкнутый контакт К1.1 открывает клапан газа Кл. (рис.4) и  начинает подаваться газ в конфорки. Рис.4

                                                        Рис.5

 На микросхеме К561ЛА7 выполнен звуковой генератор -мультивибратор тревоги (сирена). На логических элементах DD1.3 и

DD1.4, конденсаторе C4 и резисторе R10  собран инфразвуковой генератор с частотой 1-0,5 (Гц). Его импульсы заряжают и разряжают через резистор R12  конденсатор С6, образуя на нем пилообразно изменяющееся напряжение; через диод VD1 оно подаётся на генератор звуковой частоты на элементах DD1.2  DD1.1 и изменяет частоту в пределах 1500-3500(Гц). Звуковая частота через резистор R3 подаётся на базу транзистора VT4, который через пьезоэлектрический излучатель создаёт звук сирены. Для световой индикации тревоги пульсирующее напряжение через резистор R14 подаётся на базу транзистораVT4, включая и выключая светодиод VD4.

Работа генератора тревоги начинается, когда напряжение на датчике газа повысится до уровня примерно 2,4 (В), компаратор перейдет в высокий уровень, транзистор VT2 откроется и включит реле К1. Клапан обесточится и прекратит подачу газа на конфорки газовой плиты. Сразу  при подаче высокого уровня напряжения компаратора на вход 13 DD1.4. через резистор R8 начинает звучать сирена тревоги. Характер и тембры звука можно подобрать, меняя соотношения резисторов R8,  R12  и заменить диод VD1 на резистор величиной 10-100 (ком). Поскольку состав загазованного воздуха меняется довольно медленно (1-2мин), столько будет перекрыт клапан и будет звучать сирена, пока не отключат контроллер.

Включение клапана является дополнительной опцией контроллера.

4. Описание конструкции.

Конструктивно контроллер выполнен в виде блока 70х70х40 мм, в котором размещена электронная схема.  Рабочее положение контроллера – датчиком вниз над газовой плитой. В работу контроллер включается вместе с подсветкой плиты. Питание осуществляется от сети 220 вольт. Блок питания является отдельным, поскольку габариты контроллера не позволили поместить трансформатор достаточной мощности. Первоначальная идея использовать недорогой китайский клапан газа была забракована, поскольку газовые службы не позволят вносить изменения в газовую магистраль.

Предупреждение!   Все подключения и изменения газового оборудования должны проводиться только аккредитованными специалистами газовой службы.

Если клапан установлен, то включение его (подача газа) происходит с включением контроллера.  Но если произошла утечка газа, контроллер выключает клапан немедленно и подаёт тревожный звуковой и световой сигналы.

        Представленный контроллер является опытным демонстрационным прибором. Вместо клапана используется светодиод.  Дальнейшее развитие контроллера предполагает использование малогабаритного импульсного преобразователя сетевого напряжения и интегральной компоновки, внедрение таймера и фотореле  для дополнительных функций безопасности.

Список литературы:

1. HANWEI ELETRONICS CO.,LTD              Data sheet.

 TECHNICAL  DATA          MQ-2   GAS SENSOR

2. Аналоговые и цифровые микросхемы. Справочное пособие. Под редакцией Якубовского С.В. Москва, «Радио и  связь», 1984г.
3. Цифровые устройства на МОП-интегральных схемах. Бирюков С.А. Москва, «Радио и связь». 2004г.