HU202646B - Device for checking ventillation of a mine - Google Patents

Description

A találmány tárgya berendezés bánya szellőzésének ellenőrzésére, amely előnyösen alkalmas bányák automatikus szellőztető rendszerében az áramló levegő mennyiségének meghatározására.

Ismeretes, hogy a bányák automatikus szellőztető rendszerében a fejtéshelyekre áramló levegő mennyiségének meghatározását a levegő áramlási sebességének mérésével végzik. Légáramlás mérésére különböző, ismert működési elvű megoldások alkalmasak. A gyakorlatban leggyakrabban turbinás, valamint termikus légsebességmérőket használnak. A turbinás érzékelővel rendelkező távjelző műszer előnye a viszonylag egyszerű szerkezet és az, hogy a légsebesség-villamosjel átalakítás karakterisztikája lineárisnak mondható. Hátránya viszont az alacsony légsebesség esetén a bizonytalan működés, bányabeli alkalmazás során pedig 0/2 m/s légsebesség megbízható mérésére is szükség van. Az ismert megoldás további hátránya, hogy a bányabeli körülmények - nedvesség, por, mechanikai hatások - rövid idő alatt meghibásodásokat eredményeznek, így üzembiztos működésük nem biztosítható. Hasonlóan az ismert termikus légsebességmérők üzemeltetését a bányákban a nedvesség és a szennyeződés teszi bizonytalanná.

Az áramlásmérők egy másik ismert fajtája az áramlás útjában lévő testről leszakadó örvényeket használja fel légsebesség mérésére. Ezt a jelenségét Kármán Tódor, magyar származású fizikus írta le először. Az ismert jelenségnél az időegység alatt leszakadó örvények száma széles tartományában arányos az áramlási sebességgel. A zavarótestről leváló örvények leszakadási frekvenciája a közeg áramlási sebességén kívül gyakorlatilag a geometriai méretektől függ, akár folyadék, akár gáz a vizsgálat tárgya. A leszakadás frekvnciája érzékelhető például termisztorral, rezgő lemezzel, vagy például induktív jeladóval. Magyarországon az MMG Automatikai Művek az amerikai EASTECH NEPTUNE cég licence alapján gyárt ilyen áramlásmérőket.

A 4 584 883 lajstromászámú US szabadalmi leírás olyan áramlásmérőt ismertet, amelynél a Kármán-örvényeket érzékelő lemez rezgését optikai eljárással észlelik. Erre az ismert megoldásra is igaz a termikus és mechanikus működésű légsebességmérőkre vonatkozó korábbi megállapítás, mely szerint bányabeli alkalmazás esetén működését a nedvesség és a szennyeződés bizonytalanná teszi.

A találmány célja olyan megoldás létrehozása, amely szennyeződés és nedvesség hatásának ellenáll. Olyan légsebességmérő berendezés kidolgozása a cél, amelynek mechanikai ellenállóképessége nagy, bányabeli, így például metán-, valamint szénpor-robbanásveszélyes körülmények között is használható és amely hagyományos értelemben vett mozgó alkatrészt nem tartalmaz. További célunk, hogy üzemeltetés közben állandó karbantartást ne igényeljen, viszont pontosan, megbízhatóan működjön és előállítási költsége ne haladja meg az ismert, hasonló készülékekéi Felismertük, hogy bánya szellőzésének ellenőrzésére biztonságosan alkalmazható a Kármán-féle örvények számolásán alapuló áramlásmérő, abban az esetben, ha a légörvények érzékelésére ultrahanghullámokat alkalmazunk.

Kísérleteink során számos problémával találkoztunk. Az áramlás útjába helyezett zavaró testről leváló örvények befolyásolják a rajtuk áthaladó ultrahang terjedési idejét, annak megfelelően növelik, vagy csökkentik azt, hogy az örvénylés ellentétes, vagy megegyező irányú az ultrahang terjedési irányával, az örvénynek a hangsugárzó és a mikrofon közötti ultrahangpályába eső részén. Az ultrahang-sugárzót gerjesztő generátor referenciajele és mikrofon felerősített jele közötti fáziskülönbségváltozás periódusszáma kísérleteink alapján a zavaró testből leszakadó örvények számával egyezik. Berendezésünknél fázisdiszkriminátort alkalmazva az örvényleszakadások jól megfigyelhetők. Problémát okoz viszont az, hogy a fázisdiszkiriminátor kimenetén megjelenő zavaró jelek közül sávszűrővel azok egy részét kiküszöböltük, azonban továbbra is olyan zavaró jelek léptek fel, amelyek az üzemszerű működést akadályozzák.

A fázisdiszkriminátor két bemenő jele - a mikrofon felerősített B jele és a generátor R referenciajele közötti fáziskülönbséget vizsgálva az a következő főbb tényezőkből tevődik össze:

Θβ - Gr = £. 360’ + Θ „(f) + ΘμΟ) + θ(ιη) ahol λ = γ

Θβ a Β jel fázisszöge a fázisdiszkriminátor bemenetén

Gr a R referenciajel fázisszöge a fázisdiszkriminátor bemenetén d a hangsugárzó és a mikrofon közötti effektív távolság λ az ultrahang hullámhossza a közegben Gh(í) a hangsugárzó villamosjel-ultrahang fáziskarakterisztikája (a frekvencia függvényében)

Θμ(0 a mikrofon ultrahang-villamosjel fáziskarakterisztikája (a frekvencia függvényében)

G(m) a leszakadó örvények okozta fázismoduláciő V az ultrahang terjedési sebessége a közegben f az ultrahang frekvenciája.

A 2. ábra a fázisdiszkriminátor relatív kimeneti U_k feszültségkarakterisztikáját ábrázolja a bemeneti jelek G_b-Gr fáziskülönbségének függvényében. Az ábra szerint az optimális munkapont a lineáris szakasz közepén 90' fázisértéknél van. FM fázismunkapont optimálistól való eltérése látható módon akkor okoz zavart a működésben, ha az erre szuperponált légörvények okozta G(m) fázismoduláció fázislökete beleér a 0* és 180*-nál lévő karakterisztika törésbe.

A FM fázismunkapont eltolódásának egyik forrása kísérleteinknek megfelelően, a hangsebesség megváltozása a közegben, amelyet a környezeti feltételek (nyomás, hőmérséklet stb.) változása okoz. A hangsebesség megváltozása a hullámhossz megváltozását vonja maga után, amelynek hatása annál számottevőbb, minél nagyobb a hangsugárzó és a mikrofon közötti d távolság a λ hullámhosszhoz képest Kísérleteink alapján ez akkor válik kritikussá, ha a d > 10λ.

A gyakorlatban felhasználható hangsugárzó és mikrofon nagy jósági tényezőjű mechanika rezonáns elem. Θη(0 és θ_Μ(ί) fáziskarakterisztikájuk ki realtív frekvenciaváltozásra több száz fokot változik a legjobb jel-zaj viszonyhoz tartozó üzemi frekvencia környezetében. Az FM fázismunkapont nem eléggé stabil üzemi frekvenciájú generátor alkalmazása esetén is kritikusan eltolódhat. Nagy frekvenciastablitású generátort bonyolult, költséges áramkörrel meg lehet ugyan valósítani, ez

HU 202 646 Β azonban a λ hullámhossz megváltozása miatti fázismunkapont-eltolódás kérdését még nem oldja meg.

Találmányunk további felismerése, hogy a probléma fázis - zárt hurok - PLL - kialakításával egyszerűen, gazdaságosan megoldható. A környezeti feltételek változása miatt bekövetkező fázismunkapont-változás kompenzálható θ^ί) és ©h(D fáziskarakterisztikák segítségével az üzemi frekvencia kismértékű megváltoztatásával. A fázisdiszkriminátor kimenetijeiét referencia-feszültséggel összehasonlítva hibajel képezhető, amellyel a generátor üzemi frekvenciája a szükséges irányban szabályozható.

A találmány tárgya berendezés bánya szellőzésének ellenőrzésére, amelynek közegáramlása útjába elhelyezett mérőcsöve és a mérőcsőben lévő zavaró teste van. A mérőcső egyik dalán villamosjel-ultrahang átalakítót, a másik oldalán pedig ultrahang-villamosjel átalakítót tartalmaz. A berendezés úgy van kialakítva, hogy a villamosjel-ultrahang átalakítóhoz generátor csatlakozik, amelynek referenciajel kimenete fázisdiszkriminátor egyik bementére van kötve. Az ultrahang-villamosjel átalakítóval erősítő van összekötve, melynek kimenete fázisdiszkriminátor másik bementére csatlakozik, a fázisdiszkriminátor kimenete egyrészről szabályozó-jelképzőn keresztül a gerenerátor frekvenciaszabályozó bemenetére, másrészről sávszűrő bemenetére van kötve. A sávszűrő kimenete komparátoron keresztül konverterhez csatlakozik.

A berendezés előnyös megoldása esetén a szabályozó-jelképző műveleti erősítőt tartalmaz, amelynek invertáló bemenetére a fázisdiszkriminátor csatlakozik, kimenete pedig kondenzátoron keresztül az invertáló bemenetre vissza van csatolva. A műveleti erősítő nem invertáló bemenetére pedig referenciafeszültség van kötve.

Előnyösen a közeg áramlása útjába elhelyezett mérőcső Venturi-csőként van kialakítva.

A találmány szerinti berendezés lehetséges példakénti megoldását a mellékelt rajzok alapján ismertetjük részletesen, ahol

- az 1. ábra a berendezés elvi felépítését,

- a 2. ábra a fázisdiszkriminátor relatív kimeneti feszültségkarakterisztikáját, a bemeneti jelek fáziskülönbségének függvényében,

- a 3. ábra a berendezés célszerű megoldásának blokkvázlatát,

- a 4. ábra pedig a szabályozó-jelképző előnyös kiképzését ábrázolja.

Az 1. ábrán látható berendezés elvi felépítése. A berendezésnek 1 közeg áramlása útjába elhelyezett 2 mérőcsöve és a 2 mérőcsőben lévő 3 zavaró teste van. A 2 mérőcső egyik oldalán villamosjel-ultrahang 4 átalakítót, a másik oldalán pedig ultrahang-villamosjel 5 átalakítót tartalmaz. A villamosjel-ultrahang 4 átalakítóhoz 6 generátor csatlakozik, amelynek R referenciajel kimenete 10 fázisdiszkriminátor egyik bemenetére van kötve. Az ultrahang-villamosjel 5 átalakítóval 7 erősítő van összekötve, melynek kimenete a 10 fázisdiszkriminátor másik bemenetére csatlakozik. A10 fázisdiszkriminátor kimenete 12 sávszűrő bemenetére van kötve, ennek kimenete 13 komparátoron keresztül 14 konverthez csatlakozik.

Az 1. ábra szerinti berendezés az alábbiak szerint működik részletesen. A 2 mérőcsőre szerelt villamosjelultrahang 4 átalakító (hangsugárzó) ultrahangot sugároz az ultrahang-villamosjel 5 átalakító (mikrofon) felé, amely azt érzékeli. Az 1 közeg áramlása útjába helyezett zavaró testről leváló örvények befolyásolják a rajtuk áthaladó ultrahang terjedési idejét, ennek megfelelően növelik, vagy csökkentik, hogy az örvénylés ellentétes, vagy megegyező irányú az ultrahang terjedési irányával az örvénynek a villamosjel-ultrahang 4 átalakító és az ultrahang-villamosjel 5 átalakító közötti ultrahangpályába eső részén. A hangsugárzó villamosjel-ultrahang átalakítót gerjesztő 6 generátor R referenciajele és az ultrahang-villamosjel 5 átalakító felerősített B jele közötti fáziskülönbség-változás periódusszáma a 3 zavaró testről leszakadó örvények számának felel meg. A B jel és az R referenciajel a 10 fázisdiszkriminátor két bemenetére van kötve, kimenetére pedig a 12 sávszűrő bemeneté csatlakozik. A12 sávszűrő az örvényleszakadások frekvenciatartományára van hangolva. A 12 sávszűrő a 10 fázisdiszkriminátor kimenetén megjelenő zavaró jeleknek csak egy részét sziki ki. A biztonságos üzemeltetéshez, a környezeti feltételek változása miatt bekövetkező - a 2. ábra kapcsán korábban már ismertetett - FM fázismunkapont-változás kompenzálására azonban szükség van. A találmány szerinti berendezés célszerű megoldását a 3. ábra szemlélteti.

A 3. ábra szerint a 10 fázisdiszkriminátor kimenete szabályozó-jelképzőn keresztül 6 generátor frekvenciaszabályozó 17 bemenetére van kötve. Célszerű módon az 1 közeg áramlása útjába elhelyezett 2 mérőcső a találmány szerinti berendezés esetén Venturi-csőként van kiképezve.

A4. ábrán látható a 18 szabályozó-jelképző egyszerű, előnyös megoldása. A18 szabályozó-jelképző 16 műveleti erősítőt tartalmaz, amelynek invertáló bemenetére a 10 fázisdiszkriminátor csatlakozik, kimenete pedig 20 kondenzátoron keresztül az invertáló bemenetre vissza van csatolva. A 16 műveleti erősítő kimenete a 6 generátor frekvenciaszabályozó 17 bemenetére csatlakozik. A 16 műveleti erősítő nem invertáló bemenetére pedig frekvenciafeszültség van kötve.

A18 szabályozó-jelképző révén fáziszárt hurkot hoztunk létre, amellyel a 6 generátor frekvenciáját befolyásoljuk. Amennyiben a 19 frekvenciafeszültségnek a 2. ábra kapcsán ismertetett, a 10 fázisdiszkriminátor relatív kimeneti U_k feszültségkarakterisztikájának OS értéke felel meg, akkor a 18 szabályozó-jelképző a FM fázismunkapontot 90* környezetében tartja. A 16 műveleti erősítő időállandójának előnyös megválasztásával - a fáziszárt szabályozás frekvenciatartománybeli stabilitása úgy biztosítható, hogy a mérendő 1 közeg áramlási sebességével arányos 9(m) fázismoduláció amplitúdója nem csillapodik.

A találmány szerinti berendezés előnyösen alkalmazható bánya szellőzésének ellenőrzésére, de természetesen más áramló 1 közeg mérésére is alkalmas.

Claims (2)

1. SZABADALMI IGÉNYPONTOK

   1. Berendezés bánya szellőzésének ellenőrzésére, amelynek közeg áramlása útjába elhelyezett mérőcsöve és a mérőcsőben lévő zavaró teste van, a mérőcső egyik oldalán villamosjel-ultrahang átalakítót, a másik oldalán pedig ultrahang-villamosjel átalakítót tartalmaz, azzal

   HU 202 646 Β jellemezve, hogy a villamosjel-ultrahang átalakítóhoz (4) generátor (6) csatlakozik, amelynek referenciajel (R) kimenete fázisdiszkriminátor (10) egyik bemenetére van kötve, az ultrahang-villamosjel átalakítóval (5) erősítő (7) van összekötve, melynek kimenete a fázisdiszk- 5 riminátor (10) másik bemenetére csatlakozik, a fázisdiszkriminátor (10) kimenete egyrészről szabályozó-jelképzőn (18) keresztül a generátor (6) frekvenciaszabályozó bemenetére (17) másrészről sávszűrő (12) bemenetére van kötve, a sávszűrő (12) kimenete komparátoron (13) keresztül konverterhez (14) csatlakozik.
2. 2. Az 1. igénypont szerinti berendezés azzal jellemezve, hogy a szabályozó-jelképző (18) műveleti érésitől (16) tartalmaz, amelynek invertáló bemenetére a fázisdiszkriminátor (10) csatlakozik, kimenete pedig kondenzátoron (20) keresztül az invertáló bemenetre vissza van csatolva, a műveleti erősítő (16) nem invertáló bemenetére pedig referenciafeszültség (19) van kötve.