DE3424358A1

DE3424358A1 - Gasdetektor und gaskonzentrations-ueberwachungssystem

Info

Publication number: DE3424358A1
Application number: DE19843424358
Authority: DE
Inventors: Bernardus Johannes Walkerville Transvaal Bout; Ernest Phillipus van Glenvista Johannesburg Eeden; Nicolaas Tjaart van der Mondeor Transvaal Walt
Original assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Current assignee: Anglo American Corp of South Africa Ltd
Priority date: 1983-07-05
Filing date: 1984-07-03
Publication date: 1985-01-17
Also published as: FR2548782A1; ES8601472A1; FI842689A; NO161197C; DK163613B; IN161523B; NL189877B; US4606219A; SE463281B; AU3022384A; GB8417001D0; GB2143043B; FI81921B; CA1213938A; SE8403528D0; FR2548782B1; FI842689A0; JPH0352823B2; NL189877C; DK163613C

Description

VON KREISLER SCHONWALD EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

PATENTANWÄLTE

Dr.-Ing. von Kreisler 11973 Dr.-lng.ICW. Eishold ti981

ANGLO AMERICAN C0PR0RATI0N OF Dr.-Ing. K. Schönwald

SOUTH AFRICA LIMITED ^■^J'"^ües _A. . „ ..

λ . ., · r,, . Dipl.-Chem. Alek von Kreis er

44 Maxn Street Dipl.-Chem. Carola Keller

Johannesburg / Transvaal Dipl.-lng. G. Selting

Republic of South Africa Dr. H.-K.Werner

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KOLN 1

Sg-Da/Fe

2. Juli 1984

Gasdetektor und Gaskonzentrations-Überwachungssystem

Die Erfindung betrifft einen Gasdetektor mit einem Gehäuse und einem Gassensor, sowie ein Gaskonzentrations-Uberwachungssystem.

Bekannte Gasmeßgeräte weisen Gassensoren auf, die auf die Anwesenheit von einem oder mehreren bestimmten Gasen reagieren, indem sie ihre elektrischen Eigenschaften ändern. Sie ermöglichen durch elektrische Überwachung solcher Eigenschaften das Feststellen der Anwesenheit und der Konzentration ausgewählter Gase in einer Umgebung. Es ist ein Gerät bekannt, das. einen Gassensor, einen elektrischen Uberwachungsschaltkreis, eine eigene Stromversorgung, sowie eine Anzeige für das Gerät aufweist, so daß die Anwesenheit und/oder die Konzentration des ausgewählten Gases oder Gase in einer bestimmten Umgebung leicht festgestellt werden kann. Derartige Geräte sind insbesondere, wenn Genauigkeit

erforderlich ist, und geringe Konzentrationen, z.B. wenige ppm, gemessen werden sollen, teuer und nicht robust.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gasdetektor bzw. ein Gaskonzentrations-Uberwachungssystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das vergleichsweise kostengünstig und für die Messung geringer Gaskonzentrationen, insbesondere von Kohlenmonoxid und Methan geeignet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Gassensor in dem Gehäuse montiert ist und seine elektrischen Eigenschaften mit der Änderung der Gaskonzentration einer Gasprobe im Gehäuse ändert, daß eine in dem Gehäuse untergebrachte überwachungsschaltung mit dem Gassensor verbunden ist, die ihre Stromversorgung von einer entfernten Steuerstation erhält und die das die Gaskonzentration angebende Überwachungssignal an die Steuerstation liefert.

Der erfindungsgemäße Gasdetektor dient insbesondere dazu, obwohl nicht ausschließlich, zur Feststellung von Feuer oder möglicherweise gefährlicher Luftverhältnisse im Untertagebau.

Eine weitere Lösung besteht darin, ein Gaskonzentrations-Uberwachungssystem für den Untertagebau vorzusehen, das aus

mehreren Gasdetektoren, wobei jeder Gasdetektor einen in einem Gehäuse montierten Gassensor aufweist, der seine elektrischen Eigenschaften mit der Gaskonzentratxonsänderung in dem Gehäuse ändert und aus

_ afeiner elektrisch mit jedem Gasdetektor verbundene Steuerstation für die Stromversorgung und für den Empfang von die Gaskonzentration in den jeweiligen Gehäusen angebenden Uberwachungssignalen aus jedem Gasdetektor,
besteht.

Die Gassensoren können auf ein bestimmtes ausgewähltes Gas, wie z.B. Kohlenmonoxid oder Methan reagieren oder auf zwei oder mehr Gase oder Mischungen davon.

Die Gehäuse eines jeden Gasdetektors können einen Behälter aufweisen, der die Gassensoren umgibt und der in seinen Wänden Durchbrechungen hat, um das Eindringen des Gases durch die Durchbrechnungen zu ermöglichen. Vorzugsweise sind derartige Gehäuse so gestaltet, daß das durch die Druchbrechungen eindringende Gas langsam um das Innere des Behälters strömt, selbst wenn das Gehäuse an einer Stelle angeordnet ist, wo eine Luftströmung schnell über die Außenseite des Gehäuses strömt.

Der Gassensor ist vorzugsweise leicht auswechselbar vorgesehen und z.B. in einer Steckfassung montiert. Dies bedeutet, daß in den Fällen, wo die Lebensdauer des Gassensors kurz ist, z.B. nur wenige Monate, der Gassensor, wenn erforderlich, leicht ausgewechselt werden kann.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel und

Fig. 3 ein Schaltbild der Meßgeräte.

Das Gasmeßgerät 9 weist ein Gehäuse 10 auf, das aus einem inneren Behälter 12 und einem äußeren Behälter 14 besteht. Jeder Behälter weist sechs Durchgangsschlitze auf, die nicht gegenüber angeordnet sind. Das bedeutet, daß wenn Luft relativ schnell um das Gehäuse 10 strömt, ein Teil der Luft zunehmend in das Innere des Behälters 12 über die Schlitze eindringt und langsam um diesen herum wirbelt. Ein Gassensor 16 ist innerhalb des Behälters 12 angebracht, der auf das Vorhandensein und die Konzentration von Kohlenmonoxid reagiert, indem er seine elektrischen Charakteristiken ändert. Ein elektronischer Schaltkreis 18 ist in einer Kammer 20 oberhalb des Gassensors 16 eingekapselt angebracht und ist elektrisch mit dem Gassensor 16 verbunden. Drei Leitungen 22,24 und 26 sind mit dem Schaltkreis 18 und einem Anschlußkleiranenkasten 27 verbunden.

Das Gehäuse weist eine Abdeckung 28 auf, die mit einer Tragöse 30 versehen ist, so daß das Gasmeßgerät 9 auf einfache Weise an einer ausgesuchten Stelle aufgehängt v/erden kann.

Bei der Verwendung im Untertagebau wird das Gasmeßgerät 9 an ausgewählten Stellen angeordnet und mit einer Vielzahl ähnlicher Gasmeßgeräte -an verschiedenen ge-

eigneten Stellen innerhalb eines Bereichs des Untertagebaus assoziiert. Alle Gasmeßgeräte werden von einer zentralen Steuerstation elektrisch versorgt, an die von den Gasmeßgeräten Uberwachungssignale übertragen werden, die die Konzentration des Kohlenmonoxids im Bereich der jeweiligen Meßgeräte anzeigen.

Das in Fig. 2 gezeigte Gasmeßgerät entspricht dem Gasmeßgerät gemäß Fig. 1 mit der Ausnahme, daß ein kleines Gebläse 32 innerhalb der Abdeckung 28 befestigt ist. Das Gebläse 32 wird von der zentralen Station über die Leitung 26 versorgt. Das Gebläse 32 saugt Luft in den Behälter 12 über die Schlitze in den Wänden der Behälter 12 und 14. Dadurch, daß ein Gebläse 32 vorgesehen ist, kann das Gasmeßgerät 9 effizient und schnell auf Änderungen der Kohlenmonoxidkonzentration reagieren, selbst wenn das Gasmeßgerät in einem Bereich montiert ist, wo wenig oder keine Luftbewegung vorhanden· ist. Normalerweise besorgt die konventionell erzwungene Luftumwälzung im Untertagebau eine ausreichende Luftzirkulation um das Gasmeßgerät, wenn dieser in oder in der Nähe einer Hauptluftströmung angeordnet ist. Jedenfalls ist es möglich, daß das Gasmeßgerät 9 in einem Bereich relativ geringer Luftzirkulation angeordnet werden kann, daß die Luftumwälzung für Wartungsarbeiten ausgeschaltet werden kann oder daß sie wegen eines Fehlers ausfällt. In solchen Fällen gewährleistet das Gebläse 32, daß eine ausreichende Bewegung der Luft entsteht, so daß die Luft in den Behälter 12 eindringt, um den Gassensor 16 in die Lage zu versetzen, auf Kohlenmonoxid zu reagieren und eine Messung der Kohlenmonoxidkonzentration auszuführen.

Gemäß Fig. 3 weist die Schaltung einen Stromversorgungsschaltkreis auf, der eine -15 Volt Gleichspannung von einer zentralen Steuerstation an den Leitungen 22 und 26 erhält. Ein Stabilisierschaltkreis 40 verringert die Spannung auf -12 Volt und versorgt eine Dividiererschaltung mit einem Verstärker 42, die ein gemeinsames Nullpotential zusammen mit einem +6 Volt und einem -6 Volt Ausgang für den Rest der Schaltung zur Verfügung stellt.

Der Gassensor 16 ist mit einem Anpassungsverstärker 44, der einen Widerstand 46 in seinem Gegenkopplungsschaltkreis aufweist, verbunden, dessen Ausgang über einen Verstärker 48 mit einem weiteren Verstärker 50 verbunden ist, der eine Temperaturkorrektur-Rückkopplung enthält. Weitere Verstärker 5 2,54 und 56 sind in Reihe mit einer Stromtreiberstufe 58 verbunden, deren Ausgang mit der Leitung 24 verbunden ist.

Die Eingänge der Verstärker 52 und 54 sind einstellbar, um den Nullpunkt der Schaltung bzw. die Meßbereichsspanne zu verändern. Der Eingang des Verstärkers 5 6 ist ebenfalls einstellbar, um eine Verschiebung des gesamten Ausgangssignals der Schaltung; vorzusehen.

In der beschriebenen Schaltung wird ein Ausgangssignal zur übertragung in Leitung 24 gewählt, das die Kohlenmonoxidkonzentration angibt, so daß, wenn die Kohlenmonoxidkonzentration Null ist, das Ausgangssignal der Stromtreiberstufe 58 1 mA ist. Dies entspricht einem Null-Ausgangssignal an dem Verstärker 54, so daß das Offset-Eingangssignal des Verstärkers 56 1 Volt betragen muß.

Die Nullpunkteinstellung der Schaltung wird durch Änderung eines Eingangssignals zum Verstärker 52 korrigiert. Dieses einstellbare Eingangssignal ist. erforderlich, um den geringen Strom, der durch den Gassensor 16 fließt, wenn kein Kohlenmonoxid vorhanden ist, auszubalancieren.

Der gewählte Meßbereich wird über ein Eingangssignal in den Verstärker 54 gesteuert bzw. korrigiert und wird in dem Bereich zwischen Null und 100 ppm Kohlenmonoxidkonzentration gewählt. Dieser Meßbereich kann auch, falls erforderlich, kalibriert werden, indem der Widerstandswert des Widerstands 46 geändert wird. Nach der ersten Kalibrierung der Schaltung wird das Gasmeßgerät getestet, indem der Gassensor 16 einer bekannten Kohlenmonoxxdkonzentratxon ausgesetzt wird und die Signalspanne kalibriert wird, um dem gewählten Bereich zu entsprechen.

Normalerweise können alle erwähnten Einstellungen ausgeführt werden, indem geeignete, variable Widerstände vorgesehen werden, die beispielsweise mit Hilfe eines Schraubenziehers zugänglich sind, ohne.die Einkapselung der Schaltung in der Kammer 20 zu beschädigen.

Der Gassensor 16, der selbst nicht Gegenstand der Erfindung ist, reagiert im Betrieb auf die Anwesenheit von Kohlenmonoxid, indem er seine elektrischen Eigenschaften ändert, so daß die Eingangssignale in den Verstärker 48 unausgeglichen werden und der Ausgangsstrom der Stromtreiberstufe 58 sich entsprechend reduziert. Zur überwachung von Untertagearbeiten ist der gewählte Meßbereich, wie zuvor erläutert, 100 ppm, so daß, wenn die Konzentration bis zu diesem Niveau ansteigt, der

Ausgangsstrom der Stromtreiberstufe 58 sich von 1 itiA auf Null reduziert.

Es können auch andere Schaltungsanordnungen vorgesehen sein und auch andere Kalibrierungen innerhalb der Schaltung. Die Verwendung eines sich reduzierenden Stromausgangssignals, wenn die Gaskonzentration zunimmt, ist jedoch bevorzugt, weil dies eine Ausfallsicherung darstellt. Auch in den Fällen, wo Aufzeichnungen gemacht werden, insbesondere mit Diagrammschreibern, ist ein Vollausschlag oder Maximalausschlag bei Null-Gaskonzentration vorteilhaft.

Der Gassensor 16 ist in dem Gehäuse 10 in einer Steckfassung. Dies ermöglicht, den Gassensor 16 leicht auszuwechseln. Geeignete Gassensoren, die z.Z. erhältlich sind, haben eine Lebensdauer unter Untertagebedingungen von 6 bis 18 Monaten und müssen daher normalerweise alle 6 bis 12 Monate ersetzt werden. Die beschriebene Schaltung ermöglicht es, jeden ausgetauschten Gassensor zu kalibrieren und die Schaltung einzustellen, erstmals wenn ein Ersatzgassensor in das Gehäuse 10 eingesteckt wird und dann auch wenn erforderlich zu anderen Zeiten.

Das Gebläse 32, sofern vorhanden, ist mit der Leitung 26, wie in Fig. 3 gestrichelt gezeigt, verbunden.

Wie bereits zuvor erwähnt, werden die Gasmeßgeräte auf geeignete Weise in bestimmten unterschiedlichen Orten innerhalb eines Untertagebereichs angeordnet. Die zentrale Steuerstation befindet sich normalerweise und vorteilhafterweise auf der Erdoberfläche oberhalb der Grube. Die Steuerstation ist vorzugsweise mit einer

Vielzahl von Diagrammschreibern ausgestattet, die jeweils mit einem der Gasmeßgeräte gekoppelt sind, um die Änderungen der Kohlenmonoxidkonzentration zu überwachen. Jeder Diagrammschreiber kann mit einer Alarmschaltung verbunden werden und in der Lage sein, einen hörbaren und/oder sichtbaren Alarm auszulösen, sobald die Konzentration über ein vorbestimmtes Niveau ansteigt. Die Alarmschaltung oder eine zusätzliche Schaltung, die in der beschriebenen eingekapselten elektrischen Schaltung in der Kammer 20 eines jeden Gasmeßgeräts enthalten ist, kann vorgesehen sein, um ein derartiges Alarmsignal zu erzeugen. Darüber hinaus können die Gasmeßgeräte oder die Alarmschaltung auf der Erdoberfläche mit einer zusätzlichen Schaltungsanordnung versehen sein, die auf Änderungsbeträge der Kohlenmonoxidkonzentration reagiert und ein weiteres Alarmsignal erzeugt, sobald dieser Änderungsbetrag einen vorbestimmten Betrag übersteigt.

Ein telemetrisches System kann verwendet werden, um die Größe des Ausgangsstromsignals der Stromtreiberstufe 58 an die zentrale Steuerstation zu übertragen. In solch einem Fall wird die telemetrische Verbindung dazu verwendet, die elektrischen Schaltungen der Gasmeßgeräte genauso wie als auch die in jedem Gasmeßgerät vorgesehenen Telemetrieschaltungen mit Energie zu versorgen .

Die Überwachung von Kohlenmonoxid ist insbesondere vorteilhaft zum Feststellen des Beginns eines Grubenfeuers oder des Auftretens von Feuergefahrbedingungen, wie sie sich insbesondere in Kohlengruben entwickeln. Auch für den Nachweis anderer Gase, z.B. Kohlenmonoxid, ist das Gasmeßgerät verwendbar. Jedoch treten gelegentlich über-

- ör-

all vergleichsweise hohe Hintergrundkonzentrationen von Kohlendioxid in einer Grube auf, selbst wenn kein Feuer oder keine Feuergefahr besteht, was bedeutet, daß Änderungen, die ein Feuer anzeigen, nicht so leicht unterscheidbar sind von normalen sicheren Verhältnissen. Durch überwachung der Anwesenheit von Kohlenmonoxid, Methan oder einer Mischung davon, kann der Beginn oder die Zunahme geringer Konzentrationen solcher Gase eine generell erheblich zuverlässigere und leichter unterscheidbare Bedingung schaffen, auf deren Basis schnell der Feuerausbruch oder andere gefährliche Luftzustände festgestellt werden können.

Da in einem System zur überwachung der Gaskonzentration in einem Untertagebereich jedes beschriebene Gasmeßgerät eine örtliche Stromquelle nicht benötigt und eine Fernanzeige aufweist, wie z.B. einen Diagrammschreiber, kann jedes Gasmeßgerät relativ kostengünstig hergestellt werden. Darüber hinaus liefert die entfernte Station nicht nur rechtzeitig eine frühzeitige Feueranzeige, sondern die zentrale Überwachung der Gaskonzentration hat auch den zusätzlichen Vorteil, daß ein Fehler oder ausgefallene Gassensoren identifiziert werden können. Dies kann entweder durch überwachung uncharakteristischer Änderungen in den Ausgangs-Uberwachungssignalen oder durch Vergleich dieser Signale mit den Signalen, die von in der Nähe angeordneten Gasmeßgeräten im gleichen Bereich geliefert werden, ausgeführt werden.

Das System kann auch verwendet werden, um die Anwesenheit oder den Beginn gefährlicher Gaskonzentrationen sowohl in Gruben als auch in langen Straßentunnels zu

überwachen, die nicht zwangsläufig mit Feuer oder Feuergefahren in Verbindung gebracht werden müssen, aber gesundheitsgefährliche Luftzustände betreffen können.

Die Gasmeßgeräte können, falls erwünscht, in einem System zusammengefaßt werden, das eine Vielzahl von Rauchmeldern und eine Vielzahl von Kohlenmonoxid-Meßdetektoren überwacht, die zur gleichen Zeit in dem gleichen Bereich, verteilt sind.

Claims

ANSPRUCHE

1. Gasdetektor mit einem Gehäuse und einem Gassensor, dadurch gekennzeichnet,
daß der Gassensor (16) in dem Gehäuse (10) montiert ist und seine elektrischen Eigenschaften mit der Änderung der Gaskonzentration einer Gasprobe im Gehäuse (10) ändert, daß eine in dem Gehäuse (10) untergebrachte überwachungsschaltung mit dem Gassensor (26) verbunden ist, die ihre Stromversorgung von einer entfernten Steuerstation erhält und die das die Gaskonzentration angebende überwachungssignal an die Steuerstation liefert.

2. Gasdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (16) auf Änderungen der Kohlenmonoxidkonzentration in dem Gehäuse (10) reagiert.

3. Gasdetektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) einen Behälter (12) aufweist, der den Gassensor umgibt und der Durchbrechungen in seinen Wänden aufweist, um das Eindringen des Gases durch die Druchbrechungen zu ermöglichen.

4. Gasdetektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (10) zwei Behälter (12,14), einer innerhalb des anderen, aufweist und daß die Durchbrechungen in deren Wänden nicht zueinander ausgerichtet sind, um einen gewundenen Durchgang für die in das Innere des inneren, den Gassensor umgebenden Behälters (12), eindringende Luft vorzusehen.

5. Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gassensor (16) innerhalb des Gehäuses (10) lösbar befestigt ist.

6. Gasdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (10) ein Gebläse (32) derart angeordnet ist, daß Luft in Richtung auf den Gassensor (16) ansaugbar ist.

7. Gaskonzentrations-Uberwachungssystem, insbesondere für den Untertagebau,
gekennzeichnet durch

mehrere Gasdetektoren, wobei jeder Gasdetektor einen in einem Gehäuse (10) montierten Gassensor (16) aufweist, der seine elektrischen Eigenschaften mit der Gaskonzentrationsänderung in dem Gehäuse (10) ändert und
- eine elektrisch mit jedem Gasdetektor verbundene Steuerstation für die Stromversorgung und für den Empfang von die Gaskonzentration in den jeweiligen Gehäusen (10) angebenden Überwachungssignalen aus jedem Gasdetektor.