Устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции

 

Изобретение относится к горной автоматике и предназначено для автоматического контроля скорости воздуха в проходческих и добычных участках шахт, на откаточных и вентиляционных штреках для обеспечения нормальных условий труда шахтеров. Сущность изобретения: устройство содержит размещенный горизонтально в корпусе цилиндрический стержень и жестко связанную со стержнем балку, перпендикулярную стержню. Дополнительно устройство снабжено тарелкой, омметром и упругим эластичным шнуром, выполненным в виде жилы из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из эластичного упругого материала, например резины или латекса. Стержень закреплен в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси. На поверхности стержня закреплен один конец шнура с обеспечением электрического контакта жилы со стержнем, второй конец шнура прикреплен к стенке корпуса, через которую без электрического контакта со стенкой пропущен второй конец жилы. Второй конец жилы и корпус соединены с входами омметра. Тарелка прикреплена к свободному концу балки вогнутостью навстречу вентиляционному потоку воздуха. Устройство позволяет в любой момент времени снимать с омметра показания сопротивления жилы эластичного шнура, которые прямо пропорциональны квадрату скорости вентиляции. 1 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, более конкретно к средствам для автоматического контроля скорости воздуха в проходческих и добычных участках шахт, на откаточных и вентиляционных штреках для обеспечения нормальных условий труда шахтеров.

Известен сигнализатор скорости газового потока, содержащий установленные в потоке измерительный и компенсационный стабилитроны, генератор тока, настроечный резистор, компаратор, выходной усилитель, выход которого является выходом устройства, причем генератор тока через настроечный резистор присоединен к компенсационному стабилитрону, в котором для повышения точности измерений введены источник опорного напряжения, операционный усилитель, полевой транзистор и резистор, причем инвертирующий вход операционного усилителя присоединен к выходу генератора тока, инвертирующий вход - к истоку полевого транзистора и к измерительному стабилитрону, выход операционного усилителя подключен к затвору полевого транзистора, сток полевого транзистора подсоединен к резистору, а выходы компаратора подсоединены к резистору и источнику опорного напряжения, вторые выводы источника тока и обоих стабилитронов объединены на общем проводе [1].

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения скорости газового потока из-за влияния радиальной неравномерности потока.

Известно устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее размещенный горизонтально в корпусе цилиндрический стержень и жестко связанную со стержнем балку, перпендикулярную стержню, а также тензодатчик, в котором для повышения точности балка закреплена одним концом в корпусе, а другим жестко связана с концом цилиндрического стержня, расположенного перпендикулярно ей, а тензодатчики размещены у корневого сечения балки, при этом одна пара тензодатчиков - вдоль оси балки, а другая - перпендикулярно ей [2].

Недостатком известного устройства является низкая точность измерения скорости шахтной вентиляции из-за низкой чувствительности к скорости, невозможность измерения малых скоростей потоков и низкая надежность из-за высокой сложности, связанная с необходимостью применения сложной аппаратуры для обработки информации от тензодатчиков и с ненадежностью работы тензодатчиков при их взаимодействии со стержнем и балкой.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности, расширение функциональных возможностей за счет обеспечения измерения малых скоростей шахтного воздуха при одновременном повышении надежности за счет упрощения.

Цель достигается тем, что устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее размещенный горизонтально в корпусе цилиндрический стержень и жестко связанную со стержнем балку, перпендикулярную стержню, снабжено тарелкой, омметром и упругим эластичным шнуром, выполненным в виде жилы из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из эластичного упругого материала, например резины или латекса, причем цилиндрический стержень закреплен в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси, а на поверхности цилиндрического стержня закреплен один конец эластичного упругого шнура с обеспечением электрического контакта жилы со стержнем, второй конец шнура прикреплен к стенке корпуса, через которую без электрического контакта со стенкой пропущен второй конец жилы, при этом второй конец жилы и корпус соединены с входами омметра, а тарелка прикреплена к свободному концу балки вогнутостью навстречу вентиляционному потоку воздуха.

Изобретательский акт при соединении устройства состоит в преодолении технического противоречия, сущность которого заключается в следующем. При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для повышения точности измерений обычно прибегают к усложнению устройства, например, использованием резонансных явлений и эффектов, применением помехоустойчивых фильтров, стабилизаторов температуры или напряжения, введением корректирующих сигналов о сильном влияющем параметре и так далее. Но при этом усложняется устройство и снижается его надежность по внезапным отказам. С другой стороны, для повышения надежности путем упрощения прибегают к исключению вспомогательных блоков, к отходу от резонансных явлений, к применению простых схем обработки и так далее, но при этом снижается чувствительность, падает помехоустойчивость и увеличивается погрешность измерений. В предлагаемом устройстве точность повышена при одновременном упрощении устройства и повышении надежности его работы по внезапным отказам. Для преодоления технического противоречия необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: тарелка; омметр; упругий эластичный шнур, выполненный в виде жилы из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из эластичного упругого материала, например резины или латекса; цилиндрический стержень закреплен в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси; на поверхности цилиндрического стержня закреплен один конец эластичного упругого шнура с обеспечением электрического контакта жилы со стержнем; второй конец шнура прикреплен к стенке корпуса, через которую без электрического контакта со стенкой пропущен второй конец жилы; второй конец жилы и корпус соединены с входами омметра; тарелка прикреплена к свободному концу балки вогнутостью навстречу вентиляционному потоку воздуха.

Совокупность отличительных признаков соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия", а устройство соответствует изобретательскому уровню.

На чертеже показано устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции.

Устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции содержит размещенный горизонтально в корпусе 1 цилиндрический стержень 2 и жестко связанную со стержнем балку 3, перпендикулярную стержню.

Устройство снабжено тарелкой 4, омметром 5 и упругим эластичным шнуром 6, выполненным в виде жилы 7 из электропроводной резины, помещенной в изоляционную оболочку 8 из эластичного упругого материала, например резины или латекса. Цилиндрический стержень 2 закреплен в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси 9. На поверхности стержня 2 закреплен один конец эластичного упругого шнура 6 с обеспечением электрического контакта жилы 7 со стержнем 2, например металлической пластиной 10. Второй конец шнура 6 прикреплен к стенке корпуса 1, через которую без электрического контакта со стенкой пропущен второй конец жилы 7. Второй конец жилы 7 и корпус 1 соединены с входами омметра 5. Тарелка 4 прикреплена к свободному концу балки 3 вогнутостью навстречу вентиляционному потоку воздуха.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При нулевой скорости шахтной вентиляции под действием силы тяжести балки 3 и тарелки 4 балка 3 занимает вертикальное положение (фиг.1, сплошная линия). При этом конец шнура 6 с пластиной 10 находятся в точке А на поверхности цилиндрического стержня 2.

При отличной от нуля скорости вентиляции v ≠ 0 под действием потока воздуха, направленного в вогнутую часть тарелки 4, на тарелку 4 действует сила, прямо пропорциональная скорости вентиляции. Под действием этой силы тарелка смещается вправо (фиг.1), при этом тарелка 4 и балка 3 занимают показанное на фиг.1 пунктиром положение, цилиндрический стержень 2 поворачивается вокруг оси 9 против часовой стрелки, а первый конец упругого эластичного шнура 6 занимает положение В по фиг.1. Балка 3 под действием потока воздуха поворачивается против часовой стрелки на угол ϕ .

При постоянном значении скорости воздуха v = const положение равновесия балки 3 с тарелкой 4 достигается при условии, когда сила потока воздуха на тарелку 4 уравновешивается суммой сил из-за действий сил тяжести балки 3 и тарелки 4 и силы растяжения упругого эластичного шнура 6, которая прямо пропорциональна удлинению шнура. Чем больше скорость вентиляции v, тем на больший угол ϕ поворачивается против часовой стрелки стержень 2 и тем большим будет удлинение шнура 6, которое в данном устройстве и является мерой скорости вентиляции.

При удлинении шнур 6 работает в пределах упругих деформаций, когда при любых его удлинениях и сокращениях от уменьшения скорости вентиляции объем шнура в любой момент времени остается постоянным. Известно, что сопротивление R любого проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади его поперечного сечения S, а также прямо пропорционально удельному сопротивлению проводника ρ и записывается в виде R = ρ l/S (1) При удлинении шнура вдвое от l до 2l длина его жилы 7 также изменяется от l до 2l. Так как объем жилы, как и объем шнура, остается постоянным, то при увеличении длины жилы от l до 2l ее поперечное сечение уменьшается от S до S/2, а согласно (1) сопротивление жилы увеличивается от R до 4R. В общем случае при увеличении длины жилы 7 от l до nl ее сечение уменьшается от S до S/n и в результате сопротивление жилы увеличивается от R до n²R, то есть увеличивается в n² раз.

Концы жилы 7 соединены с входами омметра 5: первый конец жилы 7 соединен с первым входом омметра 5 через металлическую пластину 10, металлический стержень 2 и металлический корпус 1, а второй конец жилы 7 соединен с вторым входом омметра 5 непосредственно. Поэтому в любой момент времени неподвижный омметр 5 показывает сопротивление жилы 7, которое прямо пропорционально квадрату ее удлинения или, что аналогично, пропорционально квадрату угла поворота стержня 2 против часовой стрелки ϕ².

При уменьшении скорости вентиляции сила воздуха на тарелку 4 падает, а сумма сил тяжести тарелки 4 и балки 3 и сила натяжения шнура 6 становятся большими, чем сила давления воздуха. Поэтому при уменьшении скорости вентиляции стержень 2 поворачивается по часовой стрелке, а при нулевой скорости вентиляции снова балка 3 занимает вертикальное положение (сплошная линия на фиг. 1). При увеличении скорости вентиляции наблюдается противоположная картина: сила давления воздуха на тарелку 4 растет, тарелка смещается вправо по фиг.1, угол поворота стержня 2 увеличивается, шнур 6 удлиняется, составляющие силы тяготения тарелки 4 и балки 3 в направлении влево увеличиваются, сила натяжения шнура также увеличивается и положение равновесия будет снова достигнуто при равенстве силы давления воздуха на тарелку с суммой сил возврата тарелки (от составляющих сил тяжести тарелки и балки влево и силы растяжения шнура 6 вправо).

Таким образом, в устройстве в любой момент времени омметр будет давать показания сопротивления жилы 7, которые прямо пропорциональны квадрату скорости вентиляции. Известно, что при прочих равных условиях погрешность измерений обратно пропорциональна чувствительности к контролируемому параметру. Поэтому увеличение чувствительности от n до n² приводит к уменьшению погрешности измерения скорости вентиляции ровно в n раз. В этом первое преимущество устройства по сравнению с прототипом.

Второе преимущество устройства по сравнению с прототипом заключается в значительном упрощении: не требуется схемы для сложной обработки сигналов с нескольких тензодатчиков, не требуется приспособлений для обеспечения взаимодействий стержня и балки с тензодатчиками. Кроме того, тензодатчики являются ненадежными элементами прототипа.

Третье преимущество устройства по сравнению с прототипом заключается в расширении функциональных возможностей путем измерений малых скоростей потоков воздуха шахтной вентиляции. Это преимущество обеспечивается тарелкой 4, балкой 3, свободно вращающимся на оси 9 стержнем 1 и шнуром 6 с жилой 7.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ, содержащее размещенный горизонтально в корпусе цилиндрический стержень и жестко связанную со стержнем балку, перпендикулярную стержню, отличающееся тем, что оно снабжено тарелкой, омметром и упругим эластичным шнуром, выполненным в виде жилы из электропроводящей резины, помещенной в изоляционную оболочку из эластичного упругого материала, например, из резины или латекса, причем цилиндрический стержень выполнен токопроводящим и закреплен в корпусе с возможностью свободного вращения вокруг горизонтальной оси, а на поверхности цилиндрического стержня закреплен первый конец эластичного упругого шнура с обеспечением электрического контакта жилы со стержнем, второй конец шнура прикреплен к стенке корпуса, через которую без электрического контакта со стенкой пропущен второй конец жилы шнура, при этом второй конец жилы шнура и корпус соединены с входами омметра, а тарелка прикреплена к свободному концу балки вогнутостью навстречу вентиляционному потоку воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1