Устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции

 

Изобретение относится к горной автоматике, более конкретно к средствам автоматического контроля скорости воздуха у вентиляционных дверей, при выбросах в газоугольных потоках, на вентиляционных штреках и в других местах, где возможны резкие и сильные перепады скорости воздушных потоков шахтной вентиляции и резкие перепады давления (скорости потока) при внезапных выбросах для обеспечения нормальных условий труда шахтеров. Устройство содержит приемники статического и полного давления, соединенные трубками с герметичным корпусом, сильфон, упругий эластичный шнур и омметр. Полость сильфона соединена с трубкой от приемника статического давления. Упругий эластичный шнур выполнен в виде жилы из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например из резины или латекса. Один конец шнура прикреплен к подвижному жесткому основанию сильфона с обеспечением электрического контакта жилы с сильфоном, а другой конец шнура прикреплен к стенке корпуса. Жила без электрического контакта пропущена через стенку и соединена с первым входом омметра. Второй вход омметра соединен с корпусом. 1 ил.

Изобретение относится к горной автоматике, более конкретно к средствам автоматического контроля скорости воздуха у вентиляционных дверей, при выбросах в газоугольных потоках, на вентиляционных штреках и в других местах, где возможны резкие и сильные перепады скорости воздушных потоков шахтной вентиляции или резкие перепады давления (скорости потока) при внезапных выбросах для обеспечения нормальных условий труда шахтеров.

Известен способ определения скорости газа в газоугольном потоке выброса, включающий установку в потоке пневмометрических приемников, измерение ими статического давления, в котором для повышения точности определения скорости газа в газоугольном потоке путем устранения влияния пыли и угольных частиц при измерении скорости газа в сечение газоугольного потока выброса устанавливают неудобообтекаемое тело, а пневмометрические приемники располагают на теневой поверхности, измеряют донное давление неудобообтекаемого тела, при этом замер статического и донного давлений производят одновременно в одном и том же сечении в течение всего процесса выброса, а величину скорости газа в газоугольном потоке выброса определяют по разности статического и донного давлений [1].

Известно устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее приемники статического и полного давления, соединенные трубками с герметичным корпусом, в котором приемник полного давления первой трубкой соединен с внутренней полостью манометрической коробки, подвижная стенка которой с помощью системы рычагов и шарнира соединена со стрелкой [2].

Недостатками известного устройства является низкая точность измерения скорости из-за малой чувствительности к скорости, низкая надежность работы по внезапным отказам из-за наличия системы рычагов и шарнира, а также невозможность контроля сильных и резких перепадов скорости воздуха из-за наличия подвижных инерционных элементов.

Целью изобретения является повышение точности за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности за счет упрощения и расширения функциональных возможностей путем обеспечения контроля резких и сильных перепадов скорости воздуха.

Цель достигается тем, что устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее приемники статического и полного давлений, соединенные трубками с герметичным корпусом, снабжено сильфоном, упругим эластичным шнуром и омметром, причем в корпусе установлен сильфон так, что его полость соединена с трубкой от приемника статического давления, а упругий эластичный шнур выполнен в виде жилы из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например из резины или латекса, при этом один конец шнура прикреплен к подвижному жесткому основанию сильфона с обеспечением электрического контакта жилы с сильфоном, а другой конец шнура прикреплен к стенке корпуса, а жила без электрического контакта пропущена через стенку и соединена с первым входом омметра, второй вход которого соединен с корпусом.

Изобретательский акт при создании устройства состоит в преодолении технического противоречия, сущность которого заключается в следующем. При обычном инженерном проектировании для повышения точности измерений путем увеличения чувствительности обычно прибегают к повышению помехоустойчивости сигнала, применяя при этом резонансные явления и эффекты, специальные полосовые фильтры, термостаты, стабилизаторы напряжения и так далее, но при этом усложняется устройство и снижается его надежность по внезапным отказам. С другой стороны, для повышения надежности устраняют вспомогательные блоки типа термостатов, стабилизаторов, фильтров и так далее, но при этом неизбежно повышается погрешность измерений. Кроме того, для расширения функциональных возможностей используют дополнительные чувствительные элементы и дополнительные блоки обработки получаемой с них информации, но при этом усложняется устройство и падает его надежность. В настоящем устройстве точность контроля повышена при одновременном повышении надежности и расширении функциональных возможностей. Для преодоления технического противоречия необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: 1) сильфон; 2) упругий эластичный шнур; 3) омметр; 4) сильфон установлен в корпусе; 5) полость сильфона трубкой соединена с приемником статического давления; 6) упругий эластичный шнур выполнен в виде жилы из электропроводной резины, помещенной в изоляционную упругую эластичную оболочку, например из резины или латекса; 7) один конец шнура прикреплен к подвижному жесткому основанию сильфона с обеспечением электрического контакта жилы с сильфоном; 8) другой конец шнура прикреплен к стенке герметичного корпуса; 9) жила без электрического контакта пропущена через стенку герметичного корпуса; 10) другой конец жилы соединен с первым входом омметра; 11) второй вход омметра соединен с корпусом. 1-й, 2-й, 3-й, 6-й признаки известны сами по себе по отдельности, хотя ни один из них не служил ранее ни для измерения скорости вентиляции, ни для преодоления технического противоречия при таком измерении. Остальные 7 отличительных признаков неизвестны даже по отдельности сами по себе, и не могли служить ранее для преодоления технического противоречия при контроле скорости шахтной вентиляции. Все 11 отличительных признаков сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых ими действий. Одновременно все 11 отличительных признаков сформулированы общо в смысле возможности варьирования признаков с однозначностью выполняемых ими при этом действий. Поэтому заменить любой из 11 отличительных признаков на эквивалентный невозможно. Из приведенного описания устройства с однозначностью следует, что при исключении любого из 11 отличительных признаков из устройства техническое противоречие не будет преодолено. Поэтому совокупность 11 отличительных признаков соответствует критериям "Новизна" и "Существенные отличия", а устройство соответствует изобретательскому уровню.

На чертеже показана схема предлагаемого устройства.

Устройство автоматического контроля скорости шахтной вентиляции содержит приемники статического 1 и полного 2 давлений, соединенные трубками 3 и 4 с герметичным корпусом 5.

Устройство снабжено сильфоном 6, упругим эластичным шнуром 7 и омметром 8. В корпусе 5 установлен сильфон 6 так, что его полость 9 соединена с трубкой 3 от приемника 1 статического давления. Упругий эластичный шнур 7 выполнен в виде жилы 10 из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку 11, например из резины или латекса. Один конец шнура 7 прикреплен к подвижному жесткому основанию 12 сильфона 6 с обеспечением электрического контакта жилы 10 с сильфоном 6. Другой конец шнура 7 прикреплен к стенке 13 корпуса 5, а жила 10 без электрического контакта пропущена через стенку 13 и соединена с первым входом омметра 8, второй вход которого соединен с корпусом 5, а через сильфон 7 соединен с вторым концом жилы 10.

Приемник 1 статического давления выполнен в виде закрытого полусферой 14 пустотелого цилиндра с боковыми отверстиями 15. Приемник 2 полного давления выполнен в виде пустотелого открытого цилиндра.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

На фиг. 1 сплошными линиями со стрелками показано направление движения воздуха шахтной вентиляции. В результате в приемник 2 воздух поступает напрямую и в приемнике 2 возникает полное давление, равное сумме статического давления в шахте Р_ст и динамического давления Р_д, вызванного движением воздуха в приемник Р_п = Р_ст + Р_д. В приемник 1 шахтный воздух поступает через радиальные отверстия 15, в результате чего в приемнике 1 действует статическое давление Р_ст.

Статическое давление Р_ст из приемника 1 по трубке 3 передается в полость 9 сильфона. Полное давление Р_п из приемника 2 по трубке 4 передается в полость корпуса 5. В результате на подвижное жесткое основание 12 сильфона 6 слева направо действует сила, вызванная статическим давлением Р_ст, а справа налево действует сила, вызванная полным давлением Р_п = Р_ст + Р_д. В результате на стенку 12 сильфона 6 справа налево будет действовать сила, численно равная произведению динамического давления Р_д на площадь стенки П, то есть сила F F = P_д ˙П. (1) Величина силы F увеличивается с ростом скорости вентиляционного воздуха v. Под действием силы F основание 12 сильфона 6 начинает смещаться справа налево. При этом будут сжиматься гофры сильфона 6 и растягиваться эластичный упругий шнур 7. С ростом смещения основания будет пропорционально увеличиваться сила сопротивления гофр сильфона из-за их сжатия и пропорционально смещению основания 12 будет увеличиваться сила деформации шнура 7. Как только величина силы F уравновесится суммой сил деформации сильфона и шнура, перемещение основания 12 прекратится и оно будет находиться в состоянии равновесия. Смещение основания 12 сильфона 6 будет мерой силы F, или мерой скорости воздуха шахтной вентиляции.

Шнур 7 работает в пределах его упругих деформаций, при которых объем шнура 7 и объем жилы 10 в любой момент времени остаются постоянными, то есть когда при удлинении шнура и жилы с увеличением их длины во столько же раз уменьшается их поперечное сечение. Так, например, при увеличении длины жилы в 2 раза от l до 2l сечение жилы уменьшается в 2 раза от S до S/2, а объем жилы W = lS остается постоянным. В общем случае с увеличением длины жилы в n раз от l до nl ее сечение также уменьшается в n раз от S до S/n.

Известно, что сопротивление любого проводника, в том числе и сопротивление жилы 7 из электропроводной резины, прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально его сечению S, а также прямо пропорционально удельному сопротивлению ρ R = ρ l/S. (2) Поэтому для общего случая увеличения длины жилы от l до nl ее сечение уменьшается от S до S/n, а сопротивление R увеличится уже в n² раз. В этом и состоит увеличение чувствительности, так как при удлинении жилы в n раз сопротивление увеличивается в n² раз. Например, при удлинении жилы в 3 раза ее сопротивление увеличится в 9 раз, а при удлинении жилы в 4 раза сопротивление увеличится в 16 раз и так далее.

На заводе-изготовителе устройство градуируют. При градуировке приводят в однозначное соответствие показания омметра 8 со значениями скорости вентиляции, соответствующими этим показаниям омметра. Методика градуировки может быть любой из известных.

Таким образом, в любой момент времени в зависимости от скорости вентиляции подвижное основание 12 сильфона 6 будет устанавливаться в соответствующее скорости положение: чем больше скорость v, тем дальше налево по фиг.1 будет смещаться основание 12 под действием динамического давления Р_д и тем больше будет удлиняться жила 10 шнура 7. Так как концы жилы 7 соединены с входами омметра 8, то он будет в любой момент времени показывать сопротивление жилы 7, которое и является однозначной мерой скорости вентиляции. Так как постоянные времени сильфона 6 и шнура 7 малы, то устройство будет практически без запаздывания реагировать на любые изменения скорости вентиляции.

Совмещение в эластичном шнуре функций преобразования разности давлений из приемников 1 и 2, преобразования разности давлений в электрическое сопротивление и передачи этого сопротивления без никаких движущихся механизмов на омметр, а также функции уравновешивания смещения подвижного основания 12 сильфона 6 за счет упругой силы шнура при его растяжении позволили значительно упростить устройство.

Техническими преимуществами устройства по сравнению с прототипом являются: увеличена в n раз чувствительность к скорости вентиляции и за счет этого уменьшена в n раз погрешность определения скорости; упрощено устройство за счет исключения движущихся механизмов и деталей; расширены функциональные возможности за счет обеспечения контроля сильных и резких перепадов скорости воздуха благодаря отсутствию движущихся механизмов и малой инерционности сильфона с упругим шнуром.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ, содержащее приемники статического и полного давления, соединенные трубками с герметичным корпусом, отличающееся тем, что оно снабжено омметром и размещенными в корпусе сильфоном и упругим эластичным шнуром, причем полость сильфона соединена с трубкой, соединенной с приемником статического давления, а упругий эластичный шнур выполнен в виде жилы из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например, из резины или латекса, при этом один конец шнура прикреплен к подвижному жесткому основанию сильфона с обеспечением электрического контакта жилы с сильфоном, другой конец шнура прикреплен к стенке корпуса, а жила шнура без электрического контакта пропущена через стенку и соединена с первым входом омметра, второй вход которого соединен с корпусом.

РИСУНКИ

Рисунок 1