PL240893B1 - Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu - Google Patents

Description

PL 240 893 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu, szczególnie do pomiarów przyspieszenia, ciśnienia, rotacji i pola magnetycznego przeznaczony do zastosowania w aparaturze sejsmoakustycznej przy prognozowaniu i ocenie stopnia zagrożenia wstrząsami w kopalniach.

Znane są mikrourządzenia elektromechaniczne „mems (ang. microelectromechanical system) w postaci układów scalonych, w których elementem pomiarowym są elementy sprężynowe umocowane pomiędzy dwoma nieruchomymi „palcami”, które działają jak elektrody i mierzą potencjał elektryczny. Ponieważ podstawa sprężyny jest przymocowana do obwodu masy (lub masy sejsmicznej), która porusza się pod wpływem siły bezwładności i zbliża się do jednego ze stacjonarnych „palców”. Przez pomiar wzrostu pojemności oraz redukcji w sąsiednim obwodzie określa się kierunek i amplitudę przyspieszenia.

Znany jest z opisu patentowego PL 176650 układ iskrobezpiecznej transmisji sygnału cyfrowego, który zawiera dwa optoizolatory odbierające sygnały z linii, których wyjścia są odpowiednio włączone do linii transmisyjnej poprzez pierwszy klucz elektroniczny, a ich wejścia są połączone z przetwornicą poprzez transformator separujący i dwa rezystory, które ograniczają prąd zasilania linii do wartości iskrobezpiecznej. Do drugiego końca linii transmisyjnej jest włączony drugi klucz elektroniczny, który jest połączony szeregowo z diodą. Wyjście diody jest połączone z układem cyfrowym poprzez barierę z innych rezystorów oraz równolegle włączonego kondensatora. Przy pomocy kluczy elektronicznych przesył sygnału cyfrowego jest realizowany w dwóch kierunkach. Pierwszy klucz elektroniczny, przetwornica i tranzystory układu wyzwalania optoizolatorów są połączone z układem sterowania.

Znany jest z opisu patentowego PL 201953 sposób i system rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi, zwłaszcza wywołanych eksploatacją górniczą. Sposób według wynalazku polega na tym, że sygnały z akcelerometrycznych lub prędkościowych czujników drgań przekazuje się za pośrednictwem transmisji przewodowej do lokalnych koncentratorów informacji, gdzie uzupełnia się je o informacje uzyskiwane z odbiorników globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania, koduje cyfrowo, a następnie przekazuje za pośrednictwem transmisji przewodowej lub radiowej do centralnej jednostki kontroli zagrożeń, do której przekazuje się również przewodowo lub radiowo dane z referencyjnych stacji wchodzących w skład sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania umożliwiające precyzyjne programowe do wiązanie stacji referencyjnych systemu rejestracji drgań i deformacji powierzchni ziemi do sieci globalnej, a ponadto do jednostki centralnej przekazuje się sygnały informujące o zaistniałych w kopalniach zjawiskach związanych z drganiami górotworu. W systemie według wynalazku do jednostki centralnej kontroli zagrożeń podłączone są torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi obiektowe zestawy pomiarowe drgań powierzchni ziemi a innymi torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi dodatkowe zestawy pomiarowe: drgań i deformacji powierzchni, deformacji powierzchni, deformacji punktów referencyjnych oraz mobilnych pomiarów deformacji powierzchni. Ponadto do jednostki centralnej podłączone są torami transmisyjnymi przewodowymi lub radiowymi kopalniane rejestratory wstrząsów a innym torem przewodowym lub radiowym lokalne stacje referencyjne sieci globalnego satelitarnego systemu pozycjonowania. Korzystnie w obiektowym zestawie pomiarowym do pomiaru drgań znajduje się lokalny koncentrator informacji, do którego są podłączone: tor transmisyjny do jednostki centralnej poprzez modem transmisji, trójskładowe akcelerometryczne lub prędkościowe czujniki drgań, prosty odbiornik globalnego satelitarnego systemu wzorcowania czasu i pozycjonowania oraz blok zasilania buforowego.

Znany jest system sejsmiczny z cyfrową transmisją sygnałów sejsmicznych DTSS - ARAMIS M/E produkcji CTT EMAG Sp. z o.o. przeznaczony do lokalizacji wstrząsów w obrębie kopalni, określanie energii wstrząsów, określanie parametrów ogniska wstrząsu oraz ocena zagrożenia tąpaniami. System wykorzystuje jako czujniki: sejsmometry lub opcjonalnie geofony niskoczęstotliwościowe oraz transmisję cyfrową sygnału według patentu PL 176650. Wyposażony jest w iskrobezpieczną centralnie zasilaną z powierzchni cyfrową transmisję danych umożliwiającą przesyłanie po jednej linii teletransmisyjnej 1, 2 lub 3 składowych rejestrowanej prędkości drgań X, Y, Z. Próbkowanie sygnałów realizowane jest za pomocą (24 bitowych) konwerterów Sigma Delta. Sejsmologia obejmuje zakresem obserwacji cały obszar kopalni i rejestruje zjawiska o zakresie częstotliwości od 0,05 Hz do 150 Hz i energii od 10 J do 10^Λ10 J, z kolei sejsmoakustyka obejmuje zakres obserwacji lokalnej w rejonach wydobywczych w zakresie częstotliwości od 30 Hz do 1500 Hz i energiach od 10 do 10Λ7 J.

Znanym systemem sejsmoakustycznym jest „Ares” produkcji CTT EMAG Sp. z o.o. Urządzenie to posiada część powierzchniową i czujniki drgań geofony lub czujniki piezoelektryczne zainstalowane

PL 240 893 B1 na dole kopalni. Sygnał po wzmocnieniu moduluje prąd linii przesyłowej, która zarazem zasila układ nadajnika geofonu. W części odbiorczej zmiany prądu są zamieniane na zmiany napięcia proporcjonalne do sygnału drgań górotworu. Taki proces powoduje szumy i zniekształcenia sygnału, przez co dalsza obróbka amplitudy impulsów powoduje błędy.

Dotychczasowe geofony wymagają precyzyjnej zabudowy o odpowiednim kącie, gdzie błąd odchyłka mocowania wynosi kilka stopni. Ponadto na jednej linii transmisyjnej i zasilającej zarazem może być podłączony tylko jeden czujnik. Geofony i wzmacniacze wymagają kalibracji ze względu na różne czułości, a lokalizacja mikropęknięć wymagała użycia co najmniej trzech geofonów.

Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu, którego wyjście połączone jest przewodową linią transmisyjną do wejścia odbiornika iskrobezpiecznej transmisji sygnału cyfrowego, charakteryzuje się tym, że zawiera nadajnik wyposażony w trójosiowy w co najmniej jeden akcelerometr, barometr, osiowy żyroskop oraz czujnik pola magnetycznego, które połączone są z mikroprocesorem, do którego połączony jest klucz elektroniczny, a do niego przewody wyjścia, przy czym równolegle z mikroprocesorem i kluczem elektronicznym połączona jest bariera oraz kondensator.

Przy czym trójosiowy akcelerometr, barometr, osiowy żyroskop oraz czujnik pola magnetycznego wykonany jest z podzespołów w technologii „mems”. Z kolei wszystkie jego podzespoły usytuowane są na jednej płytce montażowej i umieszczone w obudowie nadajnika, która jest mechanicznie połączona z kotwą osadzoną w górotworze.

Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu wykorzystujący technologię „mems pozbawiony jest wielu wad, które posiadały dotychczas stosowane geofony. Najbardziej istotną zaletą jest przetwarzanie cyfrowe sygnału w pobliżu źródła oraz jego filtracja cyfrowa, co zapewnia niski poziom szumów. Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik poprzez pomiar jednocześnie sygnałów z trzech kierunków mierzy część statyczną sygnału związaną z przyśpieszeniem ziemskim i część dynamiczną związaną z mikrodrganiami. Część statyczną sygnału wykorzystuje się do wyznaczenia kierunku zamontowania czujnika jako miernika przyśpieszeń, a także do korekty kierunku przyjścia mikropęknięcia w górotworze po zmianie kierunku zamocowania czujnika. W celu lokalizacji ogniska wstrząsu wystarczy jeden czujnik lub dwa czujniki w celu udokładnienia tej lokalizacji. Ze względu na powtarzalność technologiczną charakterystyki czujników opartych o układy „mems” nie ma potrzeby ich kalibracji. Ponadto cyfrowy iskrobezpieczny czujnik według wynalazku poprzez połączenie cyfrowej transmisji sygnału pomiarowego z pomiarami przyspieszenia, ciśnienia, rotacji i pola magnetycznego opartymi o technologię „mems” pozwala na zminimalizowanie poboru prądu zasilania ,co ułatwia projektowanie układu spełniającego warunki iskrobezpieczeństwa. Nowe rozwiązanie umożliwia założenie czujnika pod dowolnym kątem w stropie i w spągu oraz na bieżącą kontrolę położenia czujników i korektę czułości po zmianie wartości stałych składowych przyśpieszenia.

Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik wykorzystujący technologię „mems” realizuje transmisję cyfrową sygnałów DTSS, ponieważ ich układowe wyjścia mają postać cyfrową o rozdzielczości 16 bitów. Do lokalizacji mikropęknięć wystarczą dwa geofony 3-składowe, które w wypadku transmisji cyfrowej DTSS połączone są jedną przewodową linią transmisyjną. Zastosowanie dodatkowo w stosunku do stanu techniki układu barometru, trójosiowego żyroskopu i czujnika pola magnetycznego, pozwala na określenie położenia czujnika w przestrzeni, pomiar ciśnienia oraz prędkości kątowej, co umożliwia na bardziej precyzyjną ocenę zagrożenia tąpaniami. Lokalizacja zjawiska odbywa się na podstawie znanych w geofizyce metod pomiaru amplitudy pierwszych wejść fali P, jak również na podstawie różnicy fal S - P, która jednak nie była dotychczas realizowana przy pomocy czujników „mems w połączeniu z cyfrową transmisją zapisów wstrząsów. W związku z tym, że cyfrowy iskrobezpieczny połączony jest mechanicznie kotwiami usytuowanymi w górotworze, może pracować jako inklinometr dokładnością do 16 sekund łuku.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat blokowy czujnika, Fig. 2 - usytuowanie czujników w górotworze.

Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu w postaci nadajnika ND zawiera trójosiowy akcelerometr A, barometr B, osiowy żyroskop Ż oraz czujnik pola magnetycznego M, które połączone są z mikroprocesorem μC1. Do mikroprocesora μC1 połączony jest klucz elektroniczny K1 a do niego przewody wyjścia WY. Równolegle z mikroprocesorem μC1 i kluczem elektronicznym K1 połączona jest bariera B1 oraz kondensator C1. Przy czym, trójosiowy akcelerometr A, barometr B, osiowy żyroskop Ż oraz czujnik pola magnetycznego M wykonane są w technologii typu „mems. Wszystkie podzespoły nadajnika ND usytuowane są na jednej płytce montażowej i umieszczone w jednej obudowie spełniającej warunki ochrony przed pyłem i wilgocią. Obudowa cyfrowego iskrobezpiecznego czujnika w postaci nadajnika ND połączona jest mechanicznie z kotwią K, która osadzona jest

PL 240 893 B1 w górotworze G. Wyjście WY nadajnika ND połączone jest z wejściem odbiornika OD przewodową linią transmisyjną LT o długości od 100 m do 12 km.

Odbiornik OD usytuowany najkorzystniej na powierzchni kopani, zawiera transformator TR z uzwojeniami L1 i L2 oddzielającymi galwanicznie linię transmisyjną LT od masy odbiornika. Uzwojenie pierwotne L1 połączone jest z układem zasilającym P1 poprzez tranzystor T1. Uzwojenie wtórne L2 połączone jest z diodami prostowniczymi D1 i D2 i równolegle z kondensatorem C2 wygładzającym napięcie stałe, do którego podłączone są rezystory R1 i R2 ograniczające prąd zwarcia w linii transmisyjnej LT do wartości wykluczającej pojawienia się iskry zdolnej zainicjować zapalenie metanu. Do rezystorów R1 i R2 połączony jest klucz elektroniczny odbiornika K2. Wejście WE odbiornika OD połączone jest z kluczem elektronicznym odbiornika K2 z jednej strony diodą D3, a z drugiej strony poprzez wejście optoizolatora Q1. Z kolei wejście sterujące klucza elektronicznego odbiornika K2 połączone jest z mikroprocesorem odbiornika μC2, który połączony jest z wyjściem optoizolatora Q1.

Mikroprocesor μC1 zasilany jest z bariery B1, która zasilana jest z linii transmisyjnej LT. Kondensator C1 służy do oddzielenia składowej zmiennej sygnału z linii transmisyjnej LT w celu programowania trybu pracy mikroprocesora μC1 oraz trójosiowym akcelerometrem A, barometrem B, osiowym żyroskopem Ż oraz czujnikiem pola magnetycznego M poprzez sygnał programowania czujnika PC. Klucz elektroniczny K1 zwiera linię transmisyjną LT na krótkie interwały czasowe, tak aby napięcie na linii transmisyjnej LT spełniało parametry zasilania poprzez barierę B1, Czas trwania tych impulsów musi być tak dobrany, aby mogły być odebrane przez optoizolator Q1 w odbiorniku OD i wysterować mikroprocesor μC2, który odtwarza nadawany przez nadajnik ND przebieg cyfrowy.

Układ odbiornika OD zasila cyfrowy iskrobezpieczny czujnik w postaci nadajnika ND jednocześnie wysyła informację poprzez klucz elektroniczny odbiornika K2 sterowany mikroprocesorem odbiornika μC2 do nadajnika ND. Z kolei nadajnik ND przesyła pomiarową informację, cyfrową TD przez zwieranie elektronicznego klucza K1 sterowanego mikroprocesorem μC1. Na Fig. 2. Pokazany jest przykład lokalizacji dwóch cyfrowych iskrobezpiecznych czujników w postaci nadajników ND typu „mems” w celu pomiaru, energii i lokalizacji mikropęknięć górotworu. Impulsy pęknięcia górotworu powodujące mikrowstrząs S1 odbierane są poprzez kotwie K1 i K2 osadzone w górotworze i przymocowanych do nich w sposób mechaniczny obudowy z iskrobezpiecznych czujników w postaci nadajników ND1 i ND2. Prawidłowe zorientowanie czujników podczas montażu poprzez ustalenie wartości statycznych składowych przyspieszeń poziomych X1 i Y1 oraz X2 i Y2 w wartości bliskiej zeru. Usytuowanie w przestrzeni X, Y zapewniają magnetometry M. Zjawisko mikrowstrząsu S1 jest rejestrowane przez iskrobezpieczne czujniki w postaci nadajników ND1 i ND2.

Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu na bazie technologii „mems” ma zastosowanie w aparaturze sejsmoakustycznej przy prognozowaniu stopnia zagrożenia wstrząsami w kopalniach węgla, soli i miedzi. Czujniki mają też zastosowanie przy pomiarze przesunięcia budynków, skarp i innych obiektów w korelacji czasowej.

Wykaz pozycji:

ND - nadajnik,

A - trójosiowy akcelerometr,

B - barometr,

Ż - trójosiowy osiowy żyroskop,

M - czujnik pola magnetycznego, μC1 - mikroprocesor,

K1 - klucz elektroniczny,

B1 - bariera zasilająca,

C1 - kondensator,

PC - sygnał programowania czujnika,

TD - sygnał pomiarowej transmisji cyfrowej,

LT - przewodowa linia transmisyjna,

OD - odbiornik,

TR - transformator,

L1 - uzwojenie pierwotne,

L2 - uzwojenie wtórne,

T1 - tranzystor,

P1 - układ zasilający,

Claims (2)

1. PL 240 893 B1

   R1 i R2 - rezystory,

   Q1 - optoizolator, μC2 - mikroprocesor odbiornika,

   K2 - klucz elektroniczny odbiornika,

   D1, D2 - diody prostownicze,

   D3 - dioda,

   C2 - kondensator odbiornika,

   K1 - kotwa mocująca,

   K2 - kotwa mocująca,

   G - górotwór,

   S1 - miejsce mikropęknięcia górotworu.

   Zastrzeżenia patentowe

   1. Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik do pomiarów parametrów górotworu, zawierający układ cyfrowy sterujący kluczem elektronicznym połączonym z linią transmisyjną, barierę zasilającą oraz kondensator do oddzielania składowej zmiennej sygnału z linii, którego wyjście połączone jest przewodową linią transmisyjną do wejścia odbiornika iskrobezpiecznej transmisji sygnału cyfrowego, który zawiera optoizolator odbierający sygnały z linii transmisyjnej, transformator separujący z diodami prostowniczymi i dwa rezystory oraz równolegle podłączony kondensator i drugi klucz elektroniczny umożliwiający przesył sygnału cyfrowego, znamienny tym, że cyfrowy iskrobezpieczny czujnik zawiera dodatkowo trójosiowy, co najmniej jeden akcelerometr (A), barometr (B), osiowy żyroskop (Ż) oraz czujnik pola magnetycznego (M), wykonane korzystnie z podzespołów w technologii „mems”, które połączone są z mikroprocesorem (μC1) skonfigurowanym do programowania trybu pracy dzięki odbiorowi składowej zmiennej sygnału z linii poprzez kondensator (C1), połączony jednym końcem do linii, a drugim do mikroprocesora (μC1), a wszystkie podzespoły iskrobezpiecznego czujnika tworzą nadajnik (ND) o zminimalizowanym poborze prądu, dzięki czemu większa liczba nadajników (ND) może być podłączona do tej samej linii (LT).
2. 2. Cyfrowy iskrobezpieczny czujnik według zastrz. 1 znamienny tym, że wszystkie jego podzespoły usytuowane są na jednej płytce montażowej i umieszczone w obudowie nadajnika (ND), która jest mechanicznie połączona z kotwą (K) osadzoną w górotworze (G).