DEP0010622DA - Verfahren und Anlage zur laufenden Messung von im Bergbau, insbesondere für die Sicherung seines Betriebes maßgebenden Größen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Meßverfahren für den Bergbau.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, berggerechte Meßverfahren zu schaffen, welche die gleichzeitige Messung aller einflußnehmenden Faktoren im Grubenfeld und vor allem die selbsttätige Registrierung der Meßwerte ermöglichen. Im besonderen geht es darum, die Sicherheits- und Wettermessungen so auszubauen, daß z.B. mit einem Blick die "Gesamtwetterlage" untertage in einer Zentrale übertage überblickt werden kann und die gefahrbringende Ansammlung von Schlagwettern so rechtzeitig zu erkennen ist, daß Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden können, bevor die Explosion durch eine zufällig zündende Ursache eingeleitet wird und sich durch nachfolgende Kohlenstaubexplosionen zu den gefürchteten Grubenkatastrophen ausweiten kann. Nach dem Grundgedanken der Erfindung ist das rechtzeitige zentrale Erkennen eines aufkommenden Gefahrenmoments und das Überblicken des Zusammenhangs der ausschlaggebende Faktor zur Vermeidung von Grubenkatastrophen.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, von den untertage an den zu überwachenden Punkten eingebauten Meßinstrumenten die Meßwerte in elektrische Größen (Frequenzen) umzuwandeln und diese auf die übertage angeordnete Meßzentrale zu übertragen. Die Bedeutung dieses Verfahrens liegt vor allem darin, daß die verschiedenartigsten für Mensch, Betrieb und Forschung wichtigen Meßwerte erfaßbar werden. Zur Erlangung einer Vorstellung seien nur die folgenden Meßgrößen genannt:

Behälterstand, Beschleunigung, bioklimatische Daten, Druck, gasanalytische Größen, Geschwindigkeit, Gewicht, Feuchtigkeit, Länge, lichtelektrische Daten, magnetische Größen, Menge, Schwingungsdaten, Standort, Staub, Temperatur, Zeit; die Spannung, der Strom, die Wirkleistung, die Blindleistung und der Widerstand im Starkstromnetz der Grube usw.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird zu diesem Zweck ein Meßwertumformer geschaffen, der nach dem Prinzip der Radio-Sonde in schöpferischer Weise ausgebildet ist. Nach eingehenden Untersuchungen eignet sich hierfür am besten ein kapazitiver oder ohmscher Meßwertumformer. Im einzelnen wird vorgesehen, daß auf einer von einem Motor angetriebenen Achse Metallsegmente angeordnet sind, an deren Lötfahnen je ein Kondensator bestimmter Größe liegt, dessen zweiter Belag mit einer metallischen Kreisscheibe verlötet ist, die über einen Schleifkontakt dauernd mit Masse verbunden ist. Dabei sind die Metallsegmente von der Achse isoliert und untereinander durch Isolierstoffsegmente getrennt. Anstelle des Kondensators kann bei RC-Generatoren auch ein Widerstand treten. Die Metall- und Isolierstoffsegmente bilden einen Zylindersektor, dessen Zylinderfläche von der Kontaktspitze eines Zeigers in der ganzen Breite je nach der Größe des Meßwertes bestrichen wird, der vom Meßwerk auf den Zeiger, beispielsweise mittels Zahnrädern, übertragen wird.

Je nach Maßgabe ihrer Bedeutung sind z.B. für den Grubenbetrieb in erster Linie der Luftdruck (D), ferner die Temperatur (T), außerdem die Luftfeuchtigkeit (F), die Wettergeschwindigkeit (W) und der Schlagwettergehalt (Sch) laufend zu ermitteln. Diese Meßgrößen werden vom Meßwerk auf einen kurzen, kräftigen Zeiger übertragen, dessen Ende als Kontaktspitze ausgebildet ist, der in der ganzen Breite den Zylindersektor bestreichen kann, der aus den Isolierstoffsegmenten und den Metallsegmenten zu einem Paket aufgebaut ist.

Wie dies im einzelnen gedacht ist, wird nunmehr an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert:

Figur 1 zeigt schematisch den Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Meßwertumformer,

Figur 2 die zugehörige Seitenansicht und

Figur 3 die Schaltung.

Wie bereits angegeben, kann jeder Zeiger k, beispielsweise größer der Zeiger k(sub)D, k(sub)T, k(sub)F, k(sub)W, die auf der drehbar angeordneten Achse c hintereinander aufgeschichteten Isolierstoffsegmente a(a(sub)1...a(sub)x) und die Metallsegmente b(b(sub)1...b(sub)x) in der ganzen Breite des so entstehenden Zylindersektors bestreichen. Die von der Achse c isolierten Metallsegmente b sind glatt, damit die Kontaktspitzen gleichmäßig darüberschleifen können. An der Lötfahne d eines jeden Metallsegmentes b liegt ein Kondensator e (oder ein Widerstand) von bestimmter Größe, dessen zweiter Belag mit einer metallischen Kreisscheibe g verlötet ist. Der Schleifkontakt h verbindet g dauernd mit Masse. Der Motor i treibt die Achse mit dem Zylindersektor und den im freien Achsenraum gelegenen Kondensatoren oder Widerständen an. Die konzentrisch zur Achse angebrachten Kontaktzeiger k(sub)D bis k(sub)W der einzelnen Instrumente greifen nacheinander in einer der freien Einstellung des Meßwertes entsprechende Rille ein und legen den dazugehörigen Kondensator parallel zur Induktivität L(sub)10 des Schwingungskreises der Modulationsröhre des Senders oder den zugehörigen Widerstand an den RC-Generator.

An sich würde diese Art der Abtastung genügen, weil die Reihenfolge der gemessenen Größen (D, T, F, W, Sch) festliegt. Um den Empfänger aber nicht über eine ähnliche, synchron laufende Einrichtung anschließen zu müssen, legt man einfacher in jeden Meßzweig einen Verkürzungs- oder Parallelkondensator l

(sub)D bis l(sub)W und erhält dadurch für D, T, F, W bestimmte Frequenzintervalle (Fig. 3), in denen die durch die Kondensatoren e bestimmten Meßwertfrequenzen f liegen. Die

Parallelschaltung des Kondensators l(sub)D fordert ein weiteres Kontaktsegment m, das mit g verbunden ist. Da der Schleifkontakt n neben der Spitze des Kontaktzeigers o(sub)D angebracht ist, schaltet das Segment des Kondensators l(sub)D nur für die Dauer der Druck-Meßwertumformung dem jeweils durch die Kontaktspitze eingeschalteten Kondensator e parallel. Anstelle der Kondensatoren treten bei einem RC-Generator ohmsche Widerstände.

Der erfindungsgemäße Meßwertumformer braucht lediglich an die mit C(sub)v bezeichneten Klemmen des Hochfrequenzsenders angeschlossen zu werden. Die Größen der mit den 20 Kontaktsegmenten verbundenen Kondensatoren und die mit den Verkürzungskondensatoren e(sub)1 bis e(sub)20 wurden beispielsweise zu 52 138 pF bis 8482 pF angegeben. Zur Erlangung eines Anhaltspunktes sind die hiermit erlangten Grenzen für den Druckmeßfrequenzbereich zu f(sub)D1 = 1122 Hz bis f(sub)D20 = 1897 Hz, für den Temperaturmeßfrequenzbereich zu f(sub)T1 = 2066 Hz bis f(sub)T20 = 3551 Hz und für den Feuchtigkeitsmeßfrequenzbereich f(sub)F1 = 3963 bis f(sub)F20 = 4906 Hz angegeben.

Die Wettergeschwindigkeitsanzeige bestrich den Frequenzbereich von f(sub)W1 = 5464 bis f(sub)W20 = 6184 Hz. Drei über diesem Bereich liegende Frequenzen waren für den Schlagwetteranzeiger vorgesehen.

Für die Druckmessungen D kann anstelle eines Aneroidbarometers ein Statoskop angeschlossen werden.

Zur Messung der Feuchtigkeit (F) kommt grundsätzlich ein Haarhygrometer in Betracht. In trockenen Räumen mit einer relativen Feuchte von ca. 30 bis 60% ersetzt man das Haarhygrometer besser durch ein trockenes und ein feuchtes Widerstandsthermometer mit einem Differential-Kreuzspulmeßwerk, weil Haarhygrometer bereits nach etwa 10 Tagen einen positiven Anzeigefehler von 5 bis 10% aufweisen und es nicht gut möglich ist, das Hygrometer nach Ablauf dieser Zeit jedesmal zur Regeneration des Haarstranges gesättigter Luft auszusetzen.

Messungen von Wettergeschwindigkeiten (W) sind außer mit den meist gebräuchlichen Schalenkreuz-Anemometern auch mit Hitzdrahtanemometern und aerodynamischen Geräten ausführbar. Besonders geeignet erscheint der vor einiger Zeit <Nicht lesbar> W-Messer zu sein, bei dem durch einfache Blendenumschaltung die vier Meßbereiche von 0 bis 1,2, 0 bis 6, 0 bis 12 und 0 bis 24 m/s erfaßt werden. Es kann auch der Schlagwetteranzeiger von Ringrose benutzt und der Schlagwettergehalt in drei Stufen (0,5, 1,25 und 2%) festgestellt werden. Zur Schlagwetterwarnung reicht eine derart gestufte Anzeige aus, aber nicht für Meßzwecke.

Durch eine neue Methode der registrierenden Gasanalyse mit Hilfe der Absorption infraroter Strahlen ohne spektrale Zerlegung sind selbsttätige, verzögerungsfreie Schlagwetteranalysen im Konzentrationsbereich von 0 bis 100% ebenso wie in beliebigen Zwischenbereichen mit großer Genauigkeit möglich geworden. Sie können über den Meßwertumformer ferngegeben werden. Das Verfahren arbeitet ohne chemische Absorptionsmittel rein physikalisch: die in einem abgeschlossenen Volumen des zu untersuchenden Gases durch infrarote Strahlen hervorgerufene selektive Erwärmung wird gemessen.

Ebenso wie CH(sub)4-Gehalte mit hoher Selektivität, Empfindlichkeit und Anzeigegeschwindigkeit auf diese Weise bestimmt werden können, lassen sich auch die für bioklimatische Untersuchungen wichtigen CO- und CO(sub)2-Messungen erledigen. Konzentrationen von 0,001% sind noch mit Sicherheit meßbar. Bei CO(sub)2-Bestimmungen machen sich Konzentrationsänderungen in der Größenordnung von 10(exp)-4% noch bemerkbar.

Um die Meßwerte dieses Infrarotabsorptionsschreibers über den erfindungsgemäßen Meßwertumformer ferngeben zu können, wird der Zeiger des Millivoltmeters gegen den Kontaktzeigertrieb k (Fig. 1 und 2) ausgewechselt.

Die Genauigkeit, mit welcher der Meßwertumformer die von den verschiedenen Instrumenten ermittelten Größen weitergibt, hängt von dem zu messenden Bereich und von der Anzahl der Kontaktsegmente des Zylindersektors ab. Der erläuterte Umformer mit seinen 20 Kontaktsegmenten würde z.B. bei der Temperaturmessung den Bereich von 10 bis 30°C mit einer Genauigkeit von 5% (1°C je Kontaktsegment) wiedergeben. Handelt es sich beispielsweise darum, bei der Schlagwetterfernmessung den Bereich von 0 bis 1% CH(sub)4-Gehalt zu erfassen, so kann das mit einer Stufung von 0,05% CH(sub)4 je Kontaktsegment geschehen. Höhere Anforderungen in Bezug auf die feinere Unterteilung der je Kontaktsegment zu übertragenden Meßstufe können durch den beschriebenen Meßwertumformer nicht gut erfüllt werden. Nach einem abgeänderten Verfahren lassen sich aber bis zu 50 Kontaktsegmente auf der Achse unterbringen.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Meßwertumformung ist für alle Meßvorhaben sinngemäß anzuwenden, wobei man durch geeignete Wahl des Übersetzungsgetriebes - oder auch ohne Zahnräder durch Verschieben des Meßwerkes relativ zum Zylindersektor - den gerade interessierenden Meßbereich herausgreift. Nachteilige Folgen für Zeiger und Meßwerk treten nicht auf, weil der Kontaktzeiger, wenn er über die Breite des Zylindersektors hinausgeht, zwischen Null und Endausschlag frei spielen kann.

Die vom erfindungsgemäßen Meßwertumformer mit seinem niederfrequenten Röhrengenerator gelieferten Meßfrequenzen können je nach Voraussetzungen entweder unmittelbar über eine zweiadrige Drahtleitung oder nach dem ton- und hochfrequenten Übertragungsverfahren zum Empfangsort geleitet werden. Für die Anwendungen ist es im allgemeinen unzweckmäßig, die Verstärkung auf der Geberseite so zu wählen, daß die Spannung am Empfangsort noch ausreicht, um die Anzeigeinstrumente unmittelbar zu betätigen. Mit Ausnahme einiger Sonderfälle beim Anschluß des Gebers an eine zweiadrige Leitung muß die in den Empfänger gelangende Energie zunächst verstärkt werden.

Die Anzeige der Meßfrequenzintervalle (z.B. DTFW-Messung) erfolgt durch selbsttätige Frequenzzeiger, während einzelne Meßstufen (z.B. die drei Frequenzen bei der Schlagwetterwarnung mit "Ringrose-Miners'Lamp") durch Resonanzrelais wahrnehmbar gemacht werden. Die üblichen direkt anzeigenden Frequenzmesser mit Lade- und Steuerröhren sind für die vorgesehenen Meßwerke zu umfangreich.

Der große Aufwand für diese Frequenzzeiger (u.a. 5 Verstärkerröhren) kann durch eine neue Schaltung vermieden werden. Mit nur einer Penthode in Verbindung mit einer Diode ergeben sich bei richtiger Wahl der Betriebsdaten günstige Werte für Ladezeit, Entladezeit und Meßgenauigkeit. Der Kondensator wird nicht mehr über die Laderöhre mit ihren beiden Gegentakt-Steuerröhren aufgeladen, sondern über den Anodenwiderstand einer als Entladeröhre geschalteten Penthode. Eine Diode mit konstantem Kathodenpotential begrenzt die Ladespannung nach oben hin, so daß der Kondensator zwischen zwei von der Eingangsspannung unabhängigen Potentialen im Rhythmus der Meßfrequenz umgeladen wird. Ein Trockengleichrichter richtet die Ladestromstöße gleich und führt sie dem in kHz geeichten Drehspulinstrument zu. Eine Pentode mit ausreichender Emissionsfähigkeit erlaubt auch den Anschluß eines Frequenzschreibers. Von diesem besonders einfachen und kleinen Frequenzzeiger werden folgende Angaben gemacht: Meßbereich 10 Hz bis 30 kHz; Abmessungen nur 18.12,5.8 cm; Meßspannung 0,5 bis 100V, ohne Einfluß auf die

Genauigkeit; Eingangswiderstand etwa 50 000 Ohm.

Mit diesem kleinen Frequenzzeiger lassen sich beliebige Anzeigegeräte zusammenstellen. Sie werden aus einem gemeinsamen Netzanschlußgerät gespeist. Gemäß Fig. 4 ergibt sich z.B. für einen untertage an bestimmtem Ort aufgestellten Wetterfernmeßgeber folgende Empfangs- und Anzeigeeinrichtung übertage: Die aus der Grube kommende, mit den Meßwerten (D,T,F,W,Sch) modulierte Trägerfrequenz von 250 kHz wird zunächst in a selektiv verstärkt und darauf in b gleichgerichtet. Die damit vom Träger getrennten Modulationsfrequenzen stehen nunmehr vor den Bandfiltern c(sub)D bis c(sub)Sch. Die Durchlaßbereiche der Bandfilter entsprechen den angegebenen Frequenzintervallen f(sub)D bis f(sub)Sch. Nur Frequenzen, die in dem betreffenden Frequenzintervall liegen, können die zugehörigen, in der jeweiligen Meßgröße geeichten Frequenzzeiger d(sub)D bis d(sub)Sch zum Ausschlag bringen. Dieses Verfahren wird man nur für gelegentliche Messungen anwenden, bei denen ein Ablesen der Meßwerte und ihre Aufschreibung angebracht sind. Denn die Frequenzzeiger schlagen nur für die Dauer der Abtastzeit des Meßwertumformers, also alle periodisch nacheinander, aus und kehren wieder in ihre Ausgangsstellung zurück, wenn sie nicht durch besondere Mittel in der letzten Anzeigestellung bis zum Eintreffen des nächsten Meßwertes festgehalten werden.

Die Registrierung der Meßwerte bedarf eines geringen Aufwandes, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Nach der Verstärkung und Gleichrichtung der hochfrequenten Trägerwelle in a und b trennt ein Filter c die Wetterfernmeßfrequenzen f(sub)D bis f(sub)Sch von anderen, auf derselben Trägerwelle liegenden Frequenzen, die über das Filter d abgenommen werden. Das gesamte Frequenzband für die Wetterfernmessung wird einem Frequenzzeiger e zugeführt, dessen Drehspulinstrument durch einen einfachen Fallbügelschreiber g ersetzt ist. Zwischen den einzelnen, in zeitlicher Aufeinanderfolge eintreffenden Meßwerten verstreicht genügend Zeit, in der das Zeigerwerk des Fallbügelschreibers von einem zum anderen Meßwert ungehindert einspielen kann. Um zu verhüten, daß der Fallbügel den Zeiger vorzeitig niederdrückt,enthält das von der eintreffenden Meßfrequenz gesteuerte Klinkwerk ein Verzögerungsglied. Der Fallbügel kann erst nach Ablauf einer bestimmten Zeit - vom Eintreffen der Meßfrequenz an gerechnet - niedergehen und den Meßpunkt auf dem Papier markieren. Die fünf Meßwertkurven werden nebeneinander aufgezeichnet. Ein Durcheinanderlaufen der Kurven ist möglich, weil die Meßfrequenzintervalle einen gewissen Frequenzabstand haben. Auch beim Überschreiten der Grenzen des eingestellten Meßbereiches untertage können die Kurven nicht ineinander übergehen, weil dann der Kontaktzeiger des Meßwertumformers ja nur über die Breite der Kontaktsegmente hinausgeht und damit den Wert nicht ferngibt. Der einfache Einfarben-Fallbügelschreiber reicht also zur Aufnahme mehrerer nebeneinanderliegender Meßwertkurven aus, während nach der Schaltung in Fig. 4 zwecks Registrierung die Drehspulinstrumente der fünf Frequenzzeiger gegen einen Mehrfarbenschreiber mit Meßstellenumschalter und Synchron-Motor ausgewechselt werden müßte, wobei auch der Meßwertumformer untertage durch einen Synchronmotor anzutreiben wäre.

Gibt man die fünf Niederfrequenzbereiche für die Wetterfernmessung allein auf eine Trägerwelle, so fallen die Bandfilter c und d in Fig. 5 fort. Wird der Meßwertumformer mit seinem Niederfrequenz-Generator beispielsweise unmittelbar an eine Doppelleitung angeschlossen, so sind am Empfangsort nur e und g erforderlich und bei längerem Leitungsweg je nach Dämpfung noch ein einstufiger Niederfrequenzverstärker.

Claims (10)

1.) Verfahren zur laufenden Messung von im Bergbau, insbesondere für die Sicherheit seines Betriebes maßgebenden Größen, dadurch gekennzeichnet, daß von den untertage an den zu überwachenden Punkten eingebauten Meßinstrumenten Meßwerte in elektrische Größen (Frequenzen) umgewandelt und diese auf eine übertage angeordnete Meßzentrale übertragen werden.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Umwandlung kapazitive und ohmsche mit den Meßgeräten zusammengebaute Umformer Verwendung finden.

3.) Meßwertumformer zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer von einem Motor (i) angetriebenen Achse (c) Metallsegmente (b(sub)1 bis b(sub)x) angeordnet sind, an deren Lötfahnen (d) je ein Kondensator (e(sub)1 bis e(sub)x) bestimmter Größe liegt, dessen zweiter Belag mit einer metallischen Kreisscheibe (g) verlötet ist, die über einen Schleifkontakt (h) dauernd mit Masse verbunden ist oder daß Widerstände an die Stelle der Kondensatoren treten.

4.) Meßwertumformer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallsegmente von der Achse isoliert und voneinander durch Isolierstoffsegmente (a(sub)1 bis a(sub)x) getrennt sind.

5.) Meßwertumformer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß den verschiedenen Meßwerten auf der Achse (c) des Umformers dasselbe Paket abwechselnder Metallsegmente und Isolierstoffsegmente zugeordnet ist, die einen Zylindersektor bilden, dessen Zylinderfläche von den Kontaktspitzen der Zeiger (k(sub)D bis k(sub)W) in der ganzen Breite je nach der Größe des Meßwertes bestrichen wird.

6.) Meßwertumformer nach Anspruch 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung einer synchron umlaufenden Einrichtung für den Empfänger in jedem Meßzweig ein Verkürzungs- oder Parallelkondensator (l(sub)D bis l(sub)W) (oder Widerstand) solcher Größe liegt, daß die durch die Kondensatoren (e) bestimmten Meßwertfrequenzen in den durch den Verkürzungs- oder Parallelkondensator bestimmten Frequenzintervallen liegen.

7.) Meßwertumformer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parallelschaltung des Kondensators (l(sub)D) ein weiteres mit der metallischen Kreisscheibe (g) verbundenes Kontaktsegment (m) vorgesehen ist.

8.) Meßwertumformer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Parallelschaltung des Kondensators (l(sub)D) für die Dauer der Druck-Meßwert-Umformung zu dem jeweils durch die Kontaktspitze eingeschalteten Kondensator (e) durch das Metallsegment der Schleifkontakt (n) neben der Spitze des Kontaktzeigers (o(sub)D) angeordnet ist.

9.) Empfangsanordnung für den Meßwertumformer nach Anspruch 3 bis 8 zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Anzeige der Meßfrequenzintervalle (DTFW-Messung) selbsttätig arbeitende Frequenzanzeiger vorgesehen sind, während einzelne Meßstufen (z.B. drei Frequenzen bei der Schlagwetterwarnung) durch Resonanz-Relais wahrnehmbar gemacht sind.

10.) Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur direkten Frequenzmessung ein Kondensator vorgesehen ist, der aufgeladen, über eine Röhre umgeladen wird und daß die gleichgerichteten Entladungsstromstöße von einem Drehspulinstrument angezeigt oder mit einem Punktschreiber fortlaufend registriert werden.