DE1598482B2 - Einrichtung zur automatischen Überwachung des Methangehaltes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Überwachung des Methangehaltes in Untertageabschnitten von Bergwerken, die mit einer elektrischen Meß- und Signalisieranlage mit druckfest gekapselten Meßwendeln versehen ist.

Methan tritt in vielen Kohle- und Salzbergwerken auf und bildet mit Luft ein explosibles Gemisch. Ein solches explosibles Gemisch stellt jedoch eine beträchtliche Gefahr für die Beschäftigten dar, da im Falle seiner Zündung eine Explosion stattfindet und in Kohlebergwerken dies eine Kohlenstaubexplosion auslösen kann, die wiederum zu einem Massenunglück führen kann. Solche Unglücke sind in der Geschichte des Bergbaus sehr oft geschehen; in vielen Fälllen sind dabei alle unter Tage Beschäftigten getötet worden.

Das wirksamste Mittel zur Vermeidung solcher Un-] glucke besteht darin, den Methangehalt in der Luft eines Bergwerks ständig zu überwachen. Bei einer frühzeitigen Entdeckung relativ großer Methanmengen ist es möglich, die Bergleute zurückzuziehen, und es können geeignete Schritte zur Beseitung der Explosionsge

fahr unternommen werden.

Die automatische Methanmessung ist also für die Bergbauindustrie ein Problem von besonderer Wichtigkeit, da viele Bergwerke in Betrieb genommen werden, in denen Gas auftritt. Aus wirtschaftlichen Gründen sollten diese Bergwerke in naher Zukunkt elektrifiziert werden, da zum Antrieb und zur Kohlegewinnung verwendete, komprimierte Luft in der Praxis achtmal kostspieliger ist und ihre Investitionskosten höher als die

ίο Investitionskosten bei elektrischer Energie sind. Die Elektrifizierung solcher Bergwerke, in denen Gas in großen Mengen auftritt, schafft jedoch trotz der Verwendung von explosionssicheren Einrichtungen große Feuergefahren, wenn man die Möglichkeit der Zündung des Methans berücksichtigt. Deshalb kann die Elektrifizierung von Bergwerken nur dann durchgeführt werden, wenn automatische Methanmesser verwendet werden, die bei einer Konzentration von Methan in Luft, die über einer zulässigen Grenze liegt, das Netz ausschalten können.

Methanmesser arbeiten, soweit sie bisher bekannt und in Bergwerken verwendet werden, auf Grund ver- ( schiedener physikalischer Prinzipien; dazu gehören z. B. die Verbrennung, die Wärmeleitfähigkeit, die Abas sorption von infraroten Stahlen usw.

Der auf dem Prinzip von Kontraktions-Messungen nach Verbrennung von Methan beruhende Methanmesser vom Typ »Mono« deutscher Herstellung enthält eine große Anzahl von komplizierten Glaseinrichtungen, sowie eine große Menge Quecksilber, so daß er unter Bergbaubedingungen leicht versagt. Darüber hinaus muß das Verbrennungselement einmal im Monat ersetzt werden, wodurch Betriebsschwierigkeiten auftreten. Weiterhin hat dieser Methanmesser ein relativ großes Volumen, ist sehr schwer und seine Herstellungs- und Betriebskosten sind relativ hoch.

Der auf der Ermittlung der Wärmeleitfähigkeit beruhende Methanmesser »Mar«-1 polnischer Herstellung wird durch ein elektrisches Netzwerk gespeist. Demzufolge ist sein Anwendungsbereich auf weniger gefährdete Stellen in Bergwerken mit Gasvorkommen begrenzt, da die Zuführungskabel beschädigt werden und Funken oder Lichtbogen auftreten können, die das Methan leicht entzünden. Außerdem zeigt dieser Methanmesser nicht den Methangehalt an den Einsatzorten der Anzeigevorrichtungen an, er gibt dort kein Alarmsignal ab und schaltet das Netzwerk nicht aus. Schließlich müssen die die Anzeigevorrichtung mit der zentralen Vorrichtung an der Erdoberfläche verbindenden Kabel zum Erreichen einer zufriedenstellenden Isolierung eine sehr hohe Qualität aufweisen, so daß sie sehr kostspielig sind.

Der auf dem Prinzip der Absorption von Infrarot-Strahlen beruhende Methanmesser »Inframeter« deutscher Herstellung wird ebenfalls durch ein elektrisches Netzwerk gespeist. Demzufolge ist sein Anwendungsbereich ähnlich dem des auf dem Prinzip der Wärmeleitfähigkeit beruhenden Methanmessers beschränkt. Weiterhin erfordert dieser Methanmesser die Verwendung von sowohl Filtern, die die eingesaugte Luft wirksam reinigen, als auch von Einrichtungen zur Absorption von Wasserdampf bzw. Kohlendioxid, so daß beim Betrieb und bei der Wartung Schwierigkeiten auftreten. Trotz des Einsatzes von Staubfiltern schlagen sich jedoch winzige Staubpartikeln auf den Fenstern der Meßkammer nieder und verursachen fehlerhafte Anzeigen. Darüber hinaus hat dieser Methanmesser keine Signaleinrichtung für den Fall der Überschreitung eines

bestimmten Methangehalts, und er bewirkt nicht das Abschalten des Netzwerks. Schließlich sind noch sein Volumen und sein Gewicht relativ groß, und die Herstellungskosten dieses Methanmessers liegen außerordentlich hoch.

Aus den GB-PS 433 570 sowie 505 802 sind Sicherheitslampen zur Feststellung des Methangehaltes bekannt, bei denen der Methangehalt durch einen photometrischen Detektor bzw. auf Grund der Helligkeit eines glühenden Platinfadens ermittelt wird. Als Stromquelle dienen dabei Akkumulatoren, so daß ein explosionsgeschützter Aufbau sowie eine regelmäßige Wartung und Überprüfung erforderlich sind.

Aus der GB-PS 864 293 ist eine Einrichtung zur Feststellung von brennbaren Gasen bekannt, die mit einer Spannung gespeist wird. Es wird jedoch nichts über die Art der Spannungserzeugung ausgesagt.

Schließlich ist aus der GB-PS 892 531 eine Einrichtung zur automatischen Überwachung des Methangehaltes in Untertageabschnitten von Bergwerken bekannt, die mit einer elektrischen Meß- und Signalisieranlage mit druckfest gekapselten Meßwendeln versehen ist. Dabei wird die Spannung durch eine Batterie geliefert. Eine Batterie in eigensicherer Ausführung mit großer Kapazität ist aber sehr schwer realisierbar. Dagegen ist eine Batterie mit kleiner Kapazität im Untertagebetrieb unangenehm.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur automatischen Überwachung des Methangehaltes der angegebenen Gattung zu schaffen, bei der ein sicherer und gefahrloser Betrieb, wozu insbesondere eine funkenfreie Spannungserzeugung gehört, gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die elektrische Meß- und Signalisierungsanlage mit einem durch über eine Rohrleitung und über einen Druckregler zugeführte Druckluft angetriebenen Turbogenerator und mit einer Luftturbine ausgestattet ist, die ein Programmrelais betätigt, über welches die Meßwendeln und ein Reflektor periodisch mit Spannung gespeist werden.

Nach einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ist der Reflektor einerseits mittels eines normalerweise geschlossenen Kontaktes eines Hauptrelais, das über ein Schwellenwertrelais gesteuert wird, andererseits über die Meßwendeln und einen parallel zu ihnen geschalteten, normalerweise geöffneten Kontakt des Programmrelais an den Ausgangskreis des Generators geschaltet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere darin, daß die Nachteile der bisher beschriebenen Methanmesser nicht auftreten können, da die erfindungsgemäße Einrichtung mit Druckluft betrieben wird. Deshalb werden auch keine kostspieligen Zuführungskabel benötigt, so daß die Einrichtung ohne irgendwelche Beschränkungen an jeder Stelle eines sehr viel Gas enthaltenden Bergwerks eingesetzt werden kann. Weiterhin ist die Einrichtung als kompaktes Aggregat ausgebildet und zeigt den Methangehalt am Einsatzort an, wobei sie die Überschreitung von zwei bestimmten Werten des Signalgehaltes signalisiert und bei Überschreitung des höheren Wertes die Ausschaltung des Netzwerkes auslöst. Der Methanmesser erfordert keine lästigen Filter und Absorptionseinrichtungen, da er nach dem Verbrennungsprinzip arbeitet. Alle aus dem Methanmesser herausführenden, zur Fernmeßanzeige für Fernsignalisierung und Fernausschaltung des Netzwerkes dienenden Schaltkreise sind eigensicher, d. h. im Falle irgendwelcher Funken auslösender Fehler sind sie nicht imstande, Methan zu zünden. Außerdem hat das Methan verbrennende Element eine längere, d. h. wenigstens zehn mal höhere Betriebs-Lebensdauer als die Elemente anderer, auf dem Prinzip der Verbrennung beruhender Methanmesser, Dies wurde durch den perioden Betrieb des Instruments ermöglicht.

In den Zeiträumen, in denen die Einrichtung keine

ίο Messungen durchführt, wird sie als Reflektor benutzt, um das Gebiet vor Ort in der Grube zu beleuchten. Während der Meßvorgänge wird die Lampe des Reflektors leicht gedämpft und zeigt auf diese Weise den ordnungsgemäßen Betrieb des Methanmessers an.

Bei einer Überschreitung des höheren Methangehalts erlischt das Reflektorlicht, und die Signalgabeglühbirne leuchtet auf. Auf Grund der Verwendung von durchsichtigen Scheiben bei den Verbrennungs- und Kompensationskammern sind die Spiralen sichtbar,

so und durch Vergleich der Helligkeit dieser Spiralen ist es möglich, die Methankonzentration oberhalb von 1% optisch anzuzeigen. Durch die Verwendung der Wechselstrombrücke werden die mit der Verstärkung von Gleichstrom verbundenen Schwierigkeiten vermieden, so daß das System vereinfacht und seine Stabilität erhöht wird.

Weiterhin ergibt sich infolge der Anwendung einer Abschirmung durch Zuführung von Luft von einer Kleinturbine eine sehr hohe Explosionsschutz-Sicherheit. Dies wird durch die Verwendung eines Kleinturbinen-Generators zur Speisung des Methanmessers ermöglicht. Ein hoher Sicherheitsgrad der Ventilationsabschirmung gegen Methan wird dadurch erreicht, daß Methan die Abschirmung wegen eines geringen Überdrucks in der Abschirmung nicht durchdringen kann. Darüber hinaus ist die Ventilationsabschirmung viel leichter und billiger als andere Explösionsabschirmungen. Darüber hinaus wird die Sicherheit der Einrichtung noch durch die Anwendung eines pneumatischen Relais erhöht, das die Generatorklemmen während seines Anlassens kurz schließt und so jede Bildung von Funken vor einer wirksamen Ventilations-Abschirmung zur Zeit des Anlassens verhindert.

Zur Sicherstellung einer hohen Genauigkeit der Anzeigen bei den vielen, in der Praxis auftretenden Druckveränderungen bei Druckluft ist die Einrichtung mit einem Druckregler ausgestattet, der den Ausgangsdruck stabilisiert. Infolge der Verwendung von Transistoren für das System hat die Einrichtung schließlich auch eine hervorragende Betriebszuverlässigkeit·, und ihr Gewicht und ihre Größe sind ungefähr viermal kleiner als bei allen früher zur Untersuchung des Methangehaltes verwendeten Vorrichtungen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild der elektrischen und pneumatischen Leitungen und

F i g. 2 eine perspektivische Ansicht der Einrichtung. Die Anlage besteht im wesentlichen aus einem Turbogenerator 1, der durch die Rohrleitung 2 über den Regler 3 mit Druckluft gespeist wird und einer zweiten Turbine 4, die durch in das Zuleitungsrohr 5 geleitete Druckluft betrieben wird und einer elektrischen Meß- und Signalisierungs-Anordnung E zum Messen des Methangehalts der Luft in dem Bergwerk. Die ganze Anlage ist in einem Gehäuse 6 eingebaut, in dessen

Stirnwand sich eine Methananzeigeskala 7 und zwei Kontrollfenster 11 befinden, die in zwei schlagwettersichere Verbrennungs- und Kompensationskammern 12 und 13 Einsicht gewähren, während an der gegenüberliegenden Seite zum Beleuchten der zu bearbeitenden Fläche während der Zeit zwischen den periodischen Messungen ein Reflektor 14 und Signalisierglühbirnen 9 und 10 befestigt sind. Die den Turbogenerator 1 durch die öffnung la und die zweite Turbine 4 durch die Öffnung 4a verlassende Luft wird in das Innere des Gehäuses zurückgeführt, um eine Ventilierung der Anlage zu liefern.

Vom Turbogenerator 1 wird ständig die zum Betrieb der Anlage erforderliche elektrische Energie erzeugt, während der zweite Generator das Programmrelais 15 zum periodischen Anschalten des Methangehalt-Meßsystems über die Anschlüsse 15a betätigt. Der Regler 3 stabilisiert den Druck der den Turbogenerator 1 unddie zweite Turbine 4 speisenden Druckluftversorgung, um Druckänderungen der Druckluftversorgung, die in Berwerksnetze infolge des Anlassens großer, luftbetriebener Aggregate häufig eintreten zu beseitigen. Der Turbogenerator 1 ist auch mit einem pneumatischen Relais 16 ausgestattet, das während des Anlassens in den Kreis des Turbogenerators 16 geschaltet ist, damit die elektrische Meßanlage E nicht unter Spannung gesetzt wird, bevor die vollständige Ventilation des Inneren der Anlage durch den Luftstrom vom Turbogenerator 1 und von dem zweiten Generator 4 bewirkt wurde. Die durch das Innere der Anlage gepreßte Luft verhindert die Ansammlung von Methan um die Bauteile, wodurch die Gefahr von Explosionen infolge Entzündens von Methan durch Funken, welche an dieser Stelle erscheinen müssen, gänzlich beseitigt wird. Bis hier muß das Gehäuse 6 keinen schlagwettersicheren Aufbau haben, was eine beträchtliche Verminderung der Kosten und des Gewichtes gestattet.

Die elektrische Meßanlage besteht aus zwei in schlagwettersicheren Kammern 12 und 13 angeordneten, glühenden, gewendeten Drähten, einer Verbrennungswendel 17 und einer Kompensationswendel 18, die mit dem Reflektor 14 zu dem Speisungsgenerator 16 in Reihe geschaltet sind. Die Wendeln 17 und 18 sind andererseits mit einem Meßbrückensystem 19 verbunden, von dessen Ausgangsseite die Anzeigeeinrichtung 7 und der Verstärker 20 gesteuert werden. Das elektrische Meßsystem E ist weiter mit einem Schwellenwertrelais 21 und einem Verstärker 22 zur Fernübertragung der Messungen ausgestattet, wobei der Verstärker 22 und das Schwellenwertrelais 21 durch den Verstärker 20 gesteuert werden, der mit dem Brückensystem 19 verbunden ist, sowie mit einem Transformator 23 und einem Gleichrichtungssystem 24 zur Speisung der Verstärker 20 und 22, des Schwellenwertrelais 2l und des Hauptrelais 25, während die Primärwicklung des Transformators an den Turbogenerator 1 angeschaltet ist. Das Hauptrelais 25 ist in das Schwellenwertrelais-System 21 eingeschaltet.

Das Schwellenwertrelais 21 ist in Prozentgehalt von Methan geeicht, so daß beim Überschreiten von einem Prozent Methangehalt in der Luft das Aufleuchten der Signalglühbrine bewirkt wird und das Überschreiten von zwei Prozent das Relais 25 betätigt, welches folgendes bewirkt: Die Kontakte werden bei 25a unterbrochen, der Reflektor 14 wird gelöscht, das Glühen der Spulen 17 und 18 wird beendet, der Kontakt 256 wird kurzgeschlossen und die Signalglühbirne 9 wird zum Aufleuchten gebracht, ebenso wird der Kontakt 25c kurzgeschlossen und über die Zuleitungen 26 der dem durch eine Methanexplosion bedrohten Bereich der Untertagearbeiten dienende Transformator abgeschaltet. Das zum Antrieb der zweiten Turbine 4 Druckluft liefernde Zuleitungsrohr 5 ist mit einer Strahlpumpe 27 ausgestattet, die von der Kohlenabbaufläche über Rohre 28 und 29 zu untersuchende Luftproben abzieht, und sie durch die Verbrennungskammer 12 führt.

*5 Die oben beschriebene Anlage arbeitet in der folgenden Art und Weise:

Nach dem Anschalten der Druckluft läuft der Turbo- ; generator 1 an, und während dieser Zeit verbindet das pneumatische Relais 16 die Klemmen des Generators ^ao ib. Der Zweck dessen ist, eine entsprechende Ventilation des Inneren der Anlage zu sichern, bevor die vollständige elektrische Anlage unter Spannung gesetzt wird. Diese Ventilation des Inneren sichert, daß jede Ansammlung von Methan entfernt wird, um die Gefahr ^a5 von durch in dem elektrischen System erscheinenden Funken ausgelösten Explosionen zu beseitigen. Nach automatischer Trennung der Klemmen des Generators Xb durch das Relais 16 leuchtet die Glühbirne des Reflektors 14 auf und beleuchtet die Kohlenabbaufläche. Das periodisch arbeitende Programmrelais 15 schaltet den Kontakt 15a um, wodurch die Wendeln 17 und 18 in den Verbrennungskammern 12 und 13 glühend werden und demgemäß die Glühbirne des Reflektors 14 etwas dunkler wird. Dieses ist ein Zeichen für die Arbeitsschicht, daß die Einrichtung richtig arbeitet. Das ständig zusammen mit Luft durch die Strahlpumpe 27 hineingezogene Methan strömt durch die Verbrennungskammer 12, wo es an dem glühenden Spiraldraht 17 verbrannt wird. Das an der Wendel verbrennende Methan verursacht eine Zunahme ihres Widerstandes. Dadurch erscheint in dem Diagonalzweig der Meßbrücke 19 eine Spannung, die an der in Prozentgehalt Methan geeichten Anzeigeeinrichtung 7 gezeigt wird. An der anderen Seite der Brücke wird diese Spannung auf einen Verstärker 20 übertragen, von dem Signale zu dem Schwellenwertrelais 21 und zu dem Fernmessungs-Verstärker 22 übertragen werden, dessen Leitungen 22a mit dem Anzeigegerät an der Oberfläche des Bergwerks verbunden sind. Wenn der Methangehalt der Luftprobe ein Prozent überschreitet, dann bringt das Schwellenwertrelais 21 die Signalglühbirne 10 zum Aufleuchten. Wenn der Methangehalt zwei Prozent überschreitet, setzt das Schwellenwertrelais das Hauptrelais 25 in Tätigkeit, welches durch Unterbrechen der Kontakte 25a die Glühbirne des Reflektors zum Erlöschen bringt und durch Schließen des Kontaktes 256 die Alarmglühbrine 9 aufleuchten läßt und durch Unterbrechen des Kontaktes 25c ein in der Zeichnung nicht gezeigtes Relais einschaltet, das den diesem Abschnitt des Untertagebetriebs dienenden Transformator abschaltet. Wenn die Glühbirne 9 aufleuchtet, wird gleichzeitig die Fern-Signalisierungscinrichtung über Klemmen in Tätigkeit gesetzt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur automatischen Überwachung des Methangehaltes in Untertageabschnitten von Bergwerken, die mit einer elektrischen Meß- und Signalisieranlage mit druckfest gekapselten Meßwendeln versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Meß- und Signalisieranlage (E) mit einem durch über eine Rohrleitung (2) und über einen Druckregler (3) zugeführte Druckluft angetriebenen Turbogenerator (1) und mit einer Luftturbine (4) ausgestattet ist, die ein Programmrelais (15) betätigt, über welches die Meßwendeln (17, 18) und ein Reflektor (14) periodisch mit Spannung gespeist werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (14) einerseits mittels eines normalerweise geschlossenen Kontaktes (25a) eines Hauptrelais (25), das über ein Schwellenwertrelais (21) gesteuert wird, andererseits über die Meßwendeln (17,18) und einen parallel zu ihnen geschalteten, normalerweise geöffneten Kontakt (15a) des Programmrelais (15) an den Ausgangskreis des Generators (16) geschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das die Druckluft zum Antrieb der zweiten Turbine (4) führende Zuleitungsrohr (5) mit einer Strahlpumpe (27) ausgestattet ist, die Luftproben von der Kohlenabarbeitungsfiäche durch die Rohre (28) und (29) hineinzieht und sie in die Verbrennungskammer (12) führt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbogenerator (1) mit einem pneumatischen Relais (16) ausgestattet ist, das die Klemmen (ib) des Generators während des Anlassens kurzschließt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Turbogenerator (1) und die zweite Turbine (4) mit Öffnungen (la) ausgestattet sind, wodurch die Luft zur Ventilation des Inneren der Anlage in das Innere des Gehäuses geleitet wird.