DE10148303A1 - Warntongeber - Google Patents

Abstract

Der erfindungsgemäße Warntongeber (10) hat ein piezoelektrisches Hupelement (12) mit zwei Eingangsanschlüssen (29, 30) zum Anlegen einer Versorgungsspannung bestimmter Frequenz und weist eine von der Stromversorgung beaufschlagte Schaltungsanordnung (14) auf, die die Versorgungsspannung erzeugt. Um eine Bestätigung darüber erhalten zu können, daß das Hupsignal tatsächlich von dem Warntongeber erzeugt wird und um den Warntongeber leichter so kalibrieren zu können, daß er bei Resonanzfrequenz betrieben wird, weist das piezoelektrische Hupelement einen zusätzlichen Ausgangsanschluß (34) auf, der bei Beaufschlagung des Hupelementes mit der Versorgungsspannung ein der Schaltungsanordnung zugeführtes Antwortspannungssignal erzeugt, wenn das Piezoelement tatsächlich schwingt. Die Größe des Antwortsignals ist ein Wert für die Lautstärke des Warntongebers.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Warntongeber insbesondere für den Einsatz im untertägigen Bergbau, mit einem piezoelektrischen Hupelement mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anlegen einer Versorgungsspannung bestimmter Frequenz und mit einer von einer Stromversorgung beaufschlagten Schaltungsanordnung zum Erzeugen der Versorgungsspannung.
• Die im untertägigen Bergbau in Strebbetrieben zum Einsatz kommenden schreitenden Ausbaugestelle werden im Laufe des Abbaus der hereirizugewinnenden Rohstoffe wie Beispielsweise Kohle regelmäßig geraubt, in Richtung auf die Abbaufront verrückt und dann neu gesetzt. Bei diesem Vorgang ist es wichtig, daß sich keine Bergleute im Gefahrenbereich befinden, wobei verschiedene Sicherungsmaßnahmen dafür sorgen, daß während des Raub-, Schreit- und Setzvorgangs eines oder mehrerer Schreitausbaugestelle niemand verletzt wird.
• Eines dieser Sicherungsmittel, die allen Ausbaugestellen zugeordnet sind und die mit der Schreitausbausteuerung gekoppelt und von dieser betätigt werden, sind Warntongeber, die vor dem Beginn des Raubvorganges betätigt werden und einen ausreichend langen und lauten Warnton erzeugen, um die in der Nähe des unmittelbar vor dem Raubvorgang stehenden Schreitausbaugestells tätigen Bergleute auf die hieraus resultierende Gefahr aufmerksam zu machen.
• Die bekannten Warntongeber, die hierfür zum Einsatz kommen, haben ein piezoelektrisches Hupelement mit zwei Anschlüssen, dem eine Versorgungsspannung zugeführt wird, wobei die Versorgungsspannung eine Frequenz hat, die dann der Frequenz des von der Hube erzeugten Tones entspricht. Da mit dem Warntongeber ein möglichst lautes Warngeräusch erzeugt werden soll, wird angestrebt, die Frequenz der Versorgungsspannung in Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz des Hupelementes in dessen eingebauten Zustand zu bringen, denn im Resonanzfall ist die erreichbare Lautstärke des Warntongebers die größtmögliche.
• Das Ziel, die bekannten Warntongeber mit Resonanzfrequenz zu betreiben, hat sich in der Praxis als kaum erreichbar herausgestellt. Da sich nicht nur die piezoelektrischen Hupelemente in ihrer Resonanzfrequenz alle voneinander etwas unterscheiden, sondern die Resonanzfrequenz im eingebauten Zustand des Hupelementes auch noch von den Einbaubedingungen wie beispielsweise dem Anzugsmoment von Schraubbefestigungen od. dgl. abhängt und auch die räumliche Umgebung des Warntongebers einen nicht zu unterschätzenden Einfluß auf die Resonanzfrequenz hat, ist die Lautstärke, mit der die bekannten Warntongeber ihren Warnton erzeugen, im allgemeinen geringer, als dies theoretisch möglich wäre. Ein weiterer Nachteil der bekannten Warntongeber ist es, daß die Steuerung des Ausbaugestells keine Möglichkeit hat festzustellen, ob tatsächlich ein Warnton von der Hupe erzeugt wurde.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Warntongeber der eingangs genannten Art zu schaffen, der in einfacher Weise bei Resonanzfrequenz und damit seiner größtmöglichen Lautstärke betrieben werden kann und der es möglich macht, der Steuerung des Ausbaugestells ein Bestätigungssignal über die erfolgreiche Auslösung des Hupsignals zu übermitteln.
• Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß das piezoelektrische Hupelement einen Ausgangsanschluß aufweist, der bei Beaufschlagung des Hupelementes mit der Versorgungsspannung ein der Schaltungsanordnung zugeführtes Antwortspannungssignal erzeugt, das ein Wert für die Lautstärke des Warntongebers ist.
• Mit dem dritten, am Hupelement vorgesehenen Anschluß ist es möglich, ein Ist-Signal zu erzeugen, mit dessen Hilfe die Kalibrierung der Schaltungsanordnung leicht so möglich ist, daß die von dieser erzeugte Versorgungsspannung eine Frequenz hat, die der Resonanzfrequenz des Warntongebers entspricht. Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, daß das an dem Ausgangsanschluß anliegende Antwortspannungssignal, das von der Schwingbewegung des piezoelektrischen Hupelementes induziert wird und das demnach eine Frequenz hat, die der Schwingfrequenz des Piezoelementes und damit der Frequenz der Versorgungsspannung entspricht, einen maximalen Spannungswert annehmen wird, wenn die Hupe im Resonanzbereich betrieben wird. Es ist für die Kalibrierung des Warntongebers also lediglich erforderlich, die Versorgungsspannungsfrequenz zu variieren und gleichzeitig das Antwortspannungssignal zu beobachten und die Versorgungsspannungsfrequenz auf einen Wert einzustellen, bei dem die von dem Antwortsignal gelieferte Spannung maximal ist. Eine solche Messung und Kalibrierung kann mit sehr einfachen Mitteln erfolgen. Das Antwortspannungssignal wird in jedem Fall nur erzeugt, wenn das Piezoelement tatsächlich schwingt und damit einen Warnton erzeugt; das Ausbleiben des Antwortsignal bedeutet somit, daß der Warntongeber den beabsichtigten Warnton nicht erzeugt hat und der Befehl zum Rauben und Schreiten des Ausbaugestells nicht ausgegeben wird.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Schaltungsanordnung eine Selbstkalibriereinrichtung für die Versorgungsspannungsfrequenz aufweist, die Schaltungsanordnung also selbst die Frequenz ermittelt, bei der das Ausgangsspannungssignal maximal wird. Eine derartige Selbstkalibrierung kann durch Vergleichsmessungen erfolgen, wobei es sich als besonders zweckmäßig erwiesen hat, die Selbstkalibriereinrichtung auf dem Prinzip der sukzessiven Approximation arbeiten zu lassen. Bei dieser Vorgehensweise werden die erforderlichen Speicher zum Zwischenspeichern der Meßwerte vergleichsweise wenig ausgelastet und es wird eine schnelle und sehr genaue Kalibrierung erreicht.
• Die Schaltungsanordnung kann einen Frequenzgenerator zum Erzeugen und Verändern der Versorgungsspannungsfrequenz aufweisen. Das Hupelement ist vorzugsweise in einem zylindrischen Hupengehäuse angeordnet und mittels eines Sicherungselementes arretiert, das beispielsweise aus einem Schraubeinsatz bestehen kann. Es ist auch möglich, als Sicherungselement einen O- Ring oder einem Sprengring zu verwenden. Eine Montage des Hupelementes in dem Hupengehäuse ist mit dem Sicherungselement auch in Serienfertigung schnell und zuverlässig möglich.
• Das Hupelement weist vorzugsweise eine Trägerplatte mit einer darauf angeordneten, piezoelektrischen Membran mit einem an bzw. auf dieser angeordneten Rücklesepin auf, an dem der Ausgangsanschluß angeschlossen ist. Der Rücklesepin schwingt gemeinsam mit der piezoelektrischen Membran, wenn diese von der Versorgungsspannung bestimmter Frequenz beaufschlagt wird. Infolge ihrer Schwingung erzeugt der Rücklesepin am Ausgangsanschluß eine Spannung, deren Frequenz der Schwingungsfrequenz der Membrane entspricht und die in ihrer Größe mit der Amplitude der Membran und damit der Lautstärke der Hupe variiert.
• Die Schaltungsanordnung kann eine Regelelektronik in Form eines Microcontrollers aufweisen, der Ausgänge für die Versorgungsspannungssignale sowie Eingänge für eine Anschlußspannung sowie für das Antwortsignal aufweist. Die Schaltungsanordnung kann ferner eine zwischen der Regelelektronik und dem Ausgangsanschluß eingeschaltete Gleichrichterschaltung aufweisen, die das Antwortspannungssignal gleichrichtet, so daß es von der Regelelektronik leichter verarbeitet werden kann. Die Versorgungsspannungssignale von der Regelelektronik können mittels Verstärkungsschaltungen verstärkt werden, bevor sie den Eingangs-Anschlüssen zugeführt werden, so daß die Regelelektronik selbst nur eine geringe Leistungsaufnahme hat.
• Das Hupelement und die Schaltungsanordnung können zweckmäßig in einem gemeinsamen Hupengehäuse angeordnet sein, das dann nach seinem Einbau an der dafür vorgesehenen Stelle am Schreitausbaugestell od. dgl. nur noch an die Stromversorgung und einen Betätigungsanschluß für die Hupe angeschlossen werden muß.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, worin eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung an einem Beispiel näher erläutert ist. Es zeigt:
• Fig. 1 einen Warntongeber nach der Erfindung im eingebauten Zustand in einem Längsschnitt;
• Fig. 2 das bei dem erfindungsgemäßen Warntongeber zum Einsatz kommende, piezoelektrische Hupelement und die mit diesem verbundene Schaltungsanordnung in einer schematischen Ansicht; und
• Fig. 3 ein Schaltbild der Schaltungsanordnung für den erfindungsgemäßen Warntongeber.
• In der Zeichnung bezeichnet 10 einen Warntongeber, wie er bei schreitenden Ausbaugestellen (nicht dargestellt) im untertägigen Bergbau zum Einsatz kommt, um die Bergleute vor dem Raub-, Schreit- und Setzvorgang eines Gestells mit möglichst lautem Ton zu warnen.
• Der Warntongeber 10, der in Fig. 1 im an einer Gehäusewand 11 eingebauten Zustand dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem piezoelektrischen Hupelement 12 und einer mit diesem über Anschlußkabel 13 verbundenen Schaltungsanordnung 14, wobei Schaltungsanordnung 14 und Hupelement 12 in einem gemeinsamen Hupengehäuse 15 angeordnet sind.
• Das Hupengehäuse 15 besteht aus Kunststoff und ist etwa topf- oder becherförmig ausgestaltet. An seinem Außenumfang ist es mit einem Schraubgewinde 16 versehen, mit dem es in eine Aufnahmebohrung in der Gehäusewand 11 eingeschraubt ist. Ein vorderer Bund 17 am Hupengehäuse begrenzt die Einschraubtiefe in der Aufnahmebohrung und sorgt für eine definierte Anlage an der Gehäusewand 11.
• An seiner Vorderseite 18 ist das Hupengehäuse mit einer mit Schallöffnungen 19 versehen Lochplatte 20 verschlossen. An der Innenseite der Lochplatte 20 befindet sich eine schmaler Distanzring 21 aus Gummi, z. B. ein O-Ring, an dem das Hupelement 12 anliegt. Für die Sicherung des Hupelements in seiner Lage sorgt ein von der Rückseite des Hupengehäuses 15 in dieses eingeschraubter Schraubeinsatz 22, der mit seiner vorderen Stirnfläche 23 das Hupelement 12 zwischen sich und dem Distanzring 21 einklemmt.
• Die Schaltungsanordnung 14 ist vollständig auf einer runden Platine 24 angeordnet, die in eine rückwärtige, zylindrische Ausnehmung 25 im Schraubeinsatz 22 eingesetzt und darin mittels einer aushärtenden Vergußmasse 26 gesichert ist.
• Das piezoelektrische Hupelement 12 und die Schaltungsanordnung 14 sind in Fig. 2 in einer Draufsicht schematisch dargestellt. Das Hupelement 12 besteht hiernach aus einer kreisrunden Trägerplatte 27 aus Messing, auf der eine piezoelektrische Membran 28 angeordnet ist. Trägerplatte 27 und Membran 28 weisen je einen Eingangsanschluß 29 bzw. 30 auf, über die dem Hupelement 12 über die Leitungen 31, 32 eine Versorgungsspannung von der Schaltungsanordnung 14 zugeführt wird. Die piezoelektrische Membran 28 ist mit einem auf ihr angeordneten Rücklesepin 33 versehen, der einen Ausgangsanschluß 34 hat, der über eine Leitung 35 mit der Schaltungsanordnung verbunden ist.
• Das Schaltbild der in Fig. 2 nur schematisch dargestellten Schaltungsanordnung zeigt Fig. 3.
• Die Schaltungsanordnung 14 weist als zentrales Bauteil eine Regelelektronik 36 in Form eines Microcontrollers auf, der zwischen einem Spannungsregler 37 für die Anschlußspannung und zwei Operationsverstärkern 38 eingeschaltet ist, über die die Ausgangssignale der Regelelektronik verstärkt und als Versorgungsspannung über die Leitungen 31, 32 den Eingangsanschlüssen 29, 30 am Hupelement 12 zugeführt werden.
• Zwischen dem Ausgangsanschluß 34 und dem Microcontroller 36 ist eine Gleichrichterschaltung 39 vorgesehen, die das am Ausgangsanschluß 34 bei Betätigung der Hupe anliegende Ausgangsspannungssignal gleichrichtet und in dieser bearbeiteten Form dem Microcontroller als Ist-Wert zuführt.
• Die Funktionsweise der Hupe ist wie folgt:
  Dem Hupelement 12 wird über ihre Eingangsanschlüsse 29, 30 eine Versorgungsspannung von dem mit der Anschlußspannung versorgten Microcontroller nach Verstärkung über die Operationsverstärker 38 zugeführt, die eine Frequenz hat, die vor einer ersten Kalibrierung der Hupe unter Umständen erheblich von der Resonanzfrequenz abweichen kann. Die piezoelektrische Membran 28 wird von der Versorgungsspannung zum Schwingen angeregt, wobei ihre Schwingungsfrequenz der Frequenz der Versorgungsspannung entspricht. Auch der Rücklesepin 33 schwingt mit der Membran mit derselben Frequenz der Versorgungsspannung. Er erzeugt damit an dem Ausgangsanschluß 34 ein Antwortspannungssignal, das dieselbe Frequenz wie die Versorgungsspannung hat, wobei die Amplitude des Antwortsignals einen Wert für die Lautstärke der Hupe darstellt und demgemäß dann einen maximalen Wert erreicht, wenn die Hupe mit ihrer Resonanzfrequenz betrieben wird, bei der sie am lautesten ist.
• Dieses Antwort-Spannungssignal wird in der Gleichrichterschaltung 39 gleichgerichtet und dann dem Microcontroller 36 zugeführt. Es stellt zunächst eine Bestätigung dafür dar, daß die Hupe tatsächlich betätigt wurde, die Bergleute in der Umgebung des mit der Hupe versehenen Schreitausbaugestells also gewarnt wurden, bevor dieses geraubt, verfahren und wieder gesetzt wird. Das Antwort-Spannungssignal läßt sich aber darüber hinaus auch für die Kalibrierung der Hupe einsetzen, wobei der Kalibrierungsvorgang bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von dem Microcontroller entweder in regelmäßigen, voreinstellbaren Zeitabständen oder von Hand ausgelöst werden kann.
• Für die Kalibrierung, deren Ziel es ist, die Versorgungsspannung an den Eingangsanschlüssen, 29, 30 auf die Resonanzfrequenz des Warntongebers einzustellen, wird die Hupe nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation nacheinander mit Versorgungsspannungen mit verschiedenen Frequenzen betrieben und für jede Versorgungsspannungsfrequenz die Größe des Antwortsignals ermittelt. Hierzu erzeugt der Microcontroller zunächst eine Versorgungsspannung mit einer bestimmten Startfrequenz f1 und ermittelt das hierzu gehörige Antwortsignal al. Anschließend wird die Hupe mit höheren und tieferen Frequenzen betrieben. Es wird um den Startwert also systematisch abgetastet und ermittelt, ob bei den Folgemessungen das Antwortsignal einen höheren Wert aufweist. Falls dies der Fall ist, werden die weiteren Messungen um diesen neuen Mittelpunkt herum ausgeführt, wobei die Schrittweite der einzelnen Messungen stetig verringert wird. Dadurch regelt der Mikroprozessor die Frequenz der Versorgungsspannung automatisch auf den Wert ein, bei dem das Antwortsignal am größten ist. Dieser Wert, der im wesentlichen der momentanen Resonanzfrequenz des Warntongebers entspricht, wird bei Beendigung des Kalibriervorganges im Microcontroller gespeichert und dient bis zur nächsten Kalibrierung als Vorgabe für die Frequenz der Versorgungsspannung.
• Mit der erfindungsgemäßen Hupe wird schon mit einer vergleichsweise geringen Anschlußspannung von 12 Volt und einem nur geringen Stromverbrauch eine bemerkenswerte Lautstärke der Hupe von 95 db erreicht, da der Warntongeber in besonders einfacher und genauer Weise im Bereich seiner Resonanzfrequenz betrieben wird, in der er seine größte Lautstärke hat. Mit dem Antwortspannungssignal erhält die Steuerung für das jeweilige Schreitausbaugestell immer eine Bestätigung darüber, daß der Hupton tatsächlich ausgelöst wurde, bevor der Raubvorgang zum Schreiten des Gestells ausgelöst wird. Der neue Warntongeber verbessert hierdurch die Sicherheit der Bergleute unter Tage erheblich.

Claims (12)

1. Warntongeber insbesondere für den Einsatz im untertägigen Bergbau, mit einem piezoelektrischen Hupelement mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anlegen einer Versorgungsspannung bestimmter Frequenz und mit einer von einer Stromversorgung beaufschlagten Schaltungsanordnung zum Erzeugen der Versorgungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Hupelement (12) einen zusätzlichen Ausgangsanschluß (34) aufweist, der bei Beaufschlagung des Hupelementes (12) mit der Versorgungsspannung ein der Schaltungsanordnung (14) zugeführtes Antwortspannungssignal erzeugt, das ein Wert für die Lautstärke des Warntongebers (10) ist.

2. Warntongeber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (14) eine Selbstkalibriereinrichtung für die Versorgungsspannungsfrequenz aufweist.

3. Warntongeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstkalibriereinrichtung durch Ablauf eines Zeitlimits aktivierbar ist.

4. Warntongeber nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbstkalibriereinrichtung durch ein externes Signal aktivierbar ist.

5. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (14) einen Frequenzgenerator (36) zum Erzeugen und Verändern der Versorgungsspannungsfrequenz aufweist.

6. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hupelement (12) in einem vorzugsweise zylindrischen Hupengehäuse (15) angeordnet und mittels eines Sicherungselementes (22) arretierbar ist.

7. Warntongeber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sicherungselement (22) aus einem Schraubeinsatz, einem O-Ring, einem Sprengring o. dgl. besteht.

8. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Hupelement (12) eine Trägerplatte (27) mit einer darauf angeordneten, piezoelektrischen Membran (28) und mit einem an bzw. auf dieser angeordneten Rücklesepin (33) aufweist, an dem der Ausgangsanschluß (34) angeschlossen ist.

9. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (14) eine Regelelektronik (36) in Form eines Microcontrollers aufweist, der Ausgänge für die Versorgungsspannungssignale sowie Eingänge für eine Anschlußspannung sowie für das Antwortsignal aufweist.

10. Warntongeber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung (14) eine zwischen der Regelelektronik (36) und dem Ausgangsanschluß (34) eingeschaltete Gleichrichterschaltung (39) aufweist.

11. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannungssignale von der Regelelektronik (36) mittels Verstärkungsschaltungen (38) verstärkt werden, bevor sie den Eingangs-Anschlüssen zugeführt werden.

12. Warntongeber nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Hupelement (12) und die Schaltungsanordnung (14) in einem gemeinsamen Hupengehäuse (15) angeordnet sind.