Устройство для ультразвукового контроля горного массива

 

Взамен ранее изданного

ЗЗО4ОВ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советскиа

Социалистический

Республик

Зависимое от авт. свидетельства ¹â€”

Заявлено 27.Ч!.1969 (№ 1342411г26-25) M. Кл. G Olv 1!13

E 21с 39,00 с присоединением заявки №вЂ”

Комитет по делам иаобретениЯ и открытиЯ при Совете Министров

",ССР

Приоритет

Опубликовано 24.l I.1972. Бюллетень ¹ 8

Дата опубликования описания 1.11.1973

УДК 550.834:622.14 (088.8) Авторы изобрстения

С. Н. Рева и Л. П. Максимов

Заявитель

Днепропетровский горный институт

УСТРОЙСТВО ДЛЯ УЛЪТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ

ГОРНОГО МАССИВА

Изобретение относится к устройствам для исследования и контроля состояния горных пород в массиве вокруг подземных горных выработок различного поперечного сечения.

В известных устройствах для контроля и исследования состояния горных пород в массиве используют ультразвуковые излучатели и приемники, соединенные кабелем с генератором ультразвуковых импульсов, аппаратурой для измерения времени прохождения сигнала через породный массив и блоком питания, которые устанавливают непосредственно в месте проведения наблюдений, куда для этой цели прокладывают кабели питания от стационарных электросетей.

При таком методе изучения массива пород требуются значительные затраты средств (кабели, пусковая аппаратура и т. п.) и IIper,råíè, что ограничивает применение ультразвукового метода контроля в шахтных условиях. Кроме того, в силу специфичности условий в местах интенсивного движения подземного транспорта проведение исследований связано с риском для безопасности человека.

Цель изобретения — осуществление исследований и контроля горных пород в массив вокруг подземных выработок ультразвуком с передачей информации на расстояние, полная автоматизация измерений, уменьшение трудоемкости и длительности подготовительных работ, а также удешевление измерительной аппаратуры.

Цель достигается применением для получения информации о состоянии массива пород

5 ультразвуковой аппаратуры контроля и передачи информации по радио и использованием в качестве волновода горной выработки.

Передача информации с каждой замерной станции осуществляется малогабаритной при10 емно-передающей системой, выполненной на полупроводниковых приборах. Прием информации от группы замерных станций производится малогабаритной приемно-передающей аппаратурой, включенной в цепь регистрирую15 щего блока. Переключение датчиков и включение передающей аппаратуры на каждой замcpIIuII станции производится в определенном порядке дистанционно по радио.

1-1а чертеже представлена блок-схема пред20 лагаемого устройства.

Устройство для исследования и контроля горных пород в массиве состоит из двух частей: измерительной части, которая устанавливается непосредственно в месте проведения

25 измерений (на замерной станции), и регистрирующей части, которая устанавливается на значительном (3 — 4 км) расстоянии в безопасном и удобном для проведения работ месте.

Измерительная часть устройства состоит из

30 следующих блоков: ультразвуковых преобразо330408

3 вателей-излучателей 1» 1г, lç, ", 1„; ультразвуковых преобразователей-приемников 2» 2, 2З, ..., 2„; коммутатора 3; блока 4 управляющих импульсов; генератора 5 зондирующих импульсов; импульсного усилителя б; автогенераторов 7, 8; электронных ключей 9, 10; резонансных усилителей 11, 12; модулятора 13; передатчика 14, дуплексного фильтра 15; управляемого блока lб; исполнительного устройства 17, антенны 18.

Регистрирующая часть устройства содержит антенну 19, дуплексный фильтр 20, приемник

21, резонансные усилители 22, 23, регистрирующее устройство 24, передатчик 25, модулятор 2б и контрольно-коммутационное устройство 27.

Ультразвуковые преобразователи 1„1>, 1>, ..., l„предназначены для преобразования электрических импульсов ультразвуковой частоты в механические колебания высокой частоты, излучаемые в массив горных пород.

Ультразвуковые преобразователи-приемники

2» 2, ..., 2„предназначены для преобразования механических колебаний в электрические импульсы ультразвуковой частоты.

Коммутатор 3 выполнен на базе шагового искателя, срабатывает по сигналу исполнительного устройства 17 и предназначен для переключения ультразвуковых излучателей 1»

1, 1>, ..., 1 и приемников 2» 2, 2„..., 2„, для передачи на излучатели 1f 19 13 ..., l„зондирующего импульса от генератора зондирующих импульсов, для передачи принятых сигналов от ультразвуковых приемников 2„2, 2З, ..., 2„на импульсный усилитель б.

Блок 4 управляющих импульсов выполнен по схеме генератора с индуктивной связью на одном транзисторе типа р — и — р и однополупериодного выпрямителя на германиевом полупроводниковом диоде. Блок предназначен для запуска генератора зондирующих импульсов отрицательными импульсами с частотой следования 50 гц и имеет с генератором емкостную связь.

Генератор 5 зондирующих импульсов выполнен на транзисторах типа р — n — р и предназначен для формирования периодических электрических импульсов с частотой 60 кгпв, посылаемых в ультразвуковые преобразователи-излучатели lj 19 13 ..., l„через коммутатор 3 и через емкость в электронный ключ 10, фиксирующий время их поступления в преобразователи-излучатели.

Импульсный усилитель б выполнен на транзисторах типа р — n — р по супергетеродинной схеме с заземленным эмиттером, через емкость подключен к электронному ключу 9 и предназначен для усиления электрических сигналов с частотой 60 кгпв, поступающих от ультразвуковых преобразователей-приемников 2» 2, 2„..., 2 через коммутатор 3, Чувствительность импульсного приемника не хуже

1 мкв.

Автогенераторы 7 и 8 выполнены каждый на транзисторе типа р — n — р по емкостной зисторах р — и — р-типа, представляет собой чувствительный приемник, настроенный на частоту передатчика 25, расположенного в регистрирующей части устройства, подключен к исполнительному устройству 17 через эмиттер50

65 ный повторитель и предназначен для приема команд от передатчика 25 и включения исполнительного устройства 17.

Исполнительное устройство 17, выполненное на одном транзисторе типа р — а — р, представляет собой электронный фильтр и служит для включения по команде регистри1.ующей части устройства передатчика 14 и коммутирующего устройства 3.

Приемник 21, имеющий кварцевую стабилизацию частоты и выполненный на транзистотрехточечной схеме, подключены через делитель напряжения к электронным ключам 9 и 10, соответственно, и предназначены для генерирования синусоидальных колебаний с час5 тотой 11 кгпв и 12,3 кгпв, Электронные ключи 9 и 10 выполнены на транзисторе типа р — n — р и соединены через емкость с резонансными усилителями 11 и 12 соответственно. Ключ 9 предназначен для

10 пропускания сигнала от автогенератора 7 в момент поступления усиленного сигнала с частотой 60 кгпв от импульсного приемника б с целью фиксирования поступления упругих колебаний высокой частоты, прошедших через

15 массив горных пород, в ультразвуковые преобразователи-приемники 2,, 2, 2, ..., 2; ключ

10 предназначен для пропускания сигнала от автогенератора 8 в момент поступления зондирующего импульса от генератора 5 с целью

20 фиксирования поступления электрических импульсов в ультразвуковые преобразователиизлучатели 1» 1, lз, ..., 1„.

Резонансные усилители 11 и 12 выполнены каждый на транзисторе типа р — n — р, на25 строены на частоте 11 и 12,3 кгпв, подключены к модулятору 13 через разделительную емкость и предназначены для усиления сип алов, поступающих с автогенераторов в моменг отпирания электронных ключей.

Зо Модулятор 13 выполнен на варикапе и RCцепочке, подключен к передатчику 14 и служит для модулирования на поднесущей частоте сигналов, поступающих с резонансны усилителей 11 и 12.

З5 Передатчик 14, работающий в УКВ диапазоне, выполнен на транзисторах типа р — n — р, соединен емкостью с дуплексным фильтром 15 и предназначен для передачи сигналов через дуплексный фильтр и антенну

40 в волновод (горная выработка). Суммарная нестабильность частоты передатчика от всех дестабилирующих факторов не превышает +5

10-, выходная мощность составляет 0,5 вт, модуляция частотная.

45 Дуплексные фильтры 15 и 20 выполнены по схеме индуктивно-емкостного П-фильтра и служат для разделения сигналов приема и передачи.

Управляемый блок lб, выполненный на тран330408

65 рах р — n — р-типа по схеме супергетеродина с двойным преобразованием по промежуточной частоте, настроен на частоту передатчика

14 измерительной части устройства. Нестабильность частоты настройки приемника 21 от всех дестабилирующих факторов не превышает+ 5 10 —, чувствительность не хуже 2 мкв.

Резонансные усилители 22 и 23, выполненные каждый на одном транзисторе р — и — ртипа по схеме Е.С-фильтра, настроены, соответственно, на 12,3 и 11 кгпв. Усилитель 22 подсоединен через емкость к ждущему мультивибратору горизонтальной развертки регистрирующего устройства 24 и предназначен для пропускания фиксированной частоты автогенератора 8 и запуска ждущего мультивибратора горизонтальной развертки. Усили гель

28 через емкость подключен ко входу усилителя вертикальной развертки и предназначен для пропускания фиксированной частоты автогенер атор а 7.

Регистрирующее устройство 24 выполнено на базе осциллографа и предназначено для измерения времени прохождения сигнала через породный массив.

Контрольно-коммутационное устройство 27 выполнено по схеме резонансного усилителя на транзисторе р — и — р-типа, в коллекторную цепь которого включен электромагнитный счетчик. Устройство связано с усилителем промежуточной частоты приемника 21 через эмнттерный повторитель и предназначено для контроля работы коммутатора 8 и передатчика 14.

Передатчик 25 выполнен на транзисторах типа р — и — р с кварцевой стабилизацией частоты и частотной модуляцией. Мощность передатчика 1 вт.

Модулятор 2б выполнен на транзисторе типа p — n — р по схеме ЯС-генератора со ступенчато регулируемыми частотами от 2000 до

6000 гц и связан емкостной связью с передатчиком 25.

Работает устройство следующим образом.

Для получения информации о состоянии массива горных пород с регистрирующей части устройства с помощью модулятора 26 и передатчика 25 подают команду на включение исполнительного устройства 17. При этом сигнал команды от передатчика 25 через дуплексный фильтр 20 и антенну 19 излучается в волновод (горпая выработка). Пройдя через горную выработку, сигнал поступает в антенну 18 измерительной части устройства, принимается работающим в ждущем режиме управляемым блоком lб через дуплексный фильтр 15 и поступает в исполнительное устройство 17. Срабатывает реле исполнительного устройства 17, включающее передатчик 14 и коммутатор 8, который, включившись, подает питание на все блоки в этой части устройства.

Коммутатор 8 по команде со второй части переключает попарно ультразвуковые преобразователи 1 — 2,, 1 — 2, lз — 2З, ..., 1„— 2 .

Получив питание, блок управляющих импульсов 4 запускает генератор зондирующих им5 ю

60 пульсов 5, который подает импульсы ультразвуковой частоты на электронный ключ 10, а также через коммутатор 8 на излучатели ультразвука 1, 1>, 1.-, ..., 1„, где они преобразуются в механические упругие колебания высокой частоты, поступающие в массив горных пород.

Одновременно с вступлением упругих импульсов в породный массив отпирается электронный ключ 10 и пропускает от автогенератора 8 синусоидальный сигнал с частотой колебания 12,3 кгпв, который усиливается по напряжению резонансным усилителем 12 и подается в модулятор 18. Промодулированный по поднесущей частоте модулятором 13 сигнал поступает в передатчик 14, который передает его через дуплексный фильтр 15 и антенну 18 в волновод (горная выработка). Пройдя через волновод, радиосигнал поступает через антенну 19 и дуплексный фильтр 20 в приемник

2l второй части устройства. Принятый сигнал поступает в резонансный усилитель 22, который настроен на частоту автогенератора 8.

Сигнал с частотой 12,3 кгпв с резонансного усилителя 22 поступает в регистрирующее устройство 24, где запускает ждущий мультивибратор горизонтальной развертки. В регистрирующем устройстве 24 одновременно с запуском мультивибратора горизонтальной развертки вкл;очается генератор меток времени. При этом на экране электроннолучевой трубки появляются метки времени и горизонтальная линия.

Упругие колебания ультразвуковой частоты, пройдя через породный массив, поступают на преобразователи-приемники 2, 2, 2З, ..., 2„, которые преобразуют механические колебания в электрические. Электрический сигнал от преобразователей-приемников через коммутатор

8 поступает в импульсный приемник б, где он усиливается и подается на электронный ключ

9, который отпирается и пропускает от автогенератора 7 синусоидальный сигнал с частотой колебаний 11 кгпв.

Сигнал от автогенератора 7, пройдя электронный ключ 9, поступает в резонансный усилитель 11, где он усиливается по напряжению и подается в модулятор 18. Промодулированный по поднесущей частоте модулятором 13 сигнал поступает в передатчик 14, который передаст его через дуплсксный фильтр 15 и антенну 18 в волновод (горная выработка).

Пройдя волновод, радиосигнал поступает через антенну 19, дуплексный фильтр 20, приемник 21 и резонансный усилитель 22, настроенный на частоту автогенератора 7, в регистрирующее устройство 24 на усилитель вертикальной развертки. При этом на экране электроннолучевой трубки виден момент поступления этого сигнала. Разность времени между метками начала горизонтальной и вертикальной разверток на экране электроннолучевой трубки регистрирующего устройства 24 характеризует состояние породного массива и равна

ЗЗО408

Составитель Э. Терехова

Техред Л. Богданова

Корректор E. Сапунова

Редактор И. Орлова

Заказ 64/5 Изд. М 1847 Тираж 448 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, )К-35, Раушская наб., д. 4/5

Типогра<(>ия, пр. Сапунова, 2 где Т вЂ” общее время прохождения упругого сигнала;

4 время прохождения ультразвуковых колебаний через породный массив;

t — время задержки прибора.

При вступлении сигнала в приемник 21 срабатывает контрольно-коммутационное устройство 27, которое контролирует работу передатчика 14 и производит отсчет попарно переключаемых ультразвуковых преобразователей

1т — 21, 1з — 2>, 1з — 2з,, 1п 2„.

Предлагаемое устройство для исследования и контроля состояния горных пород в массиве позволяет без значительных трудовых и материальных затрат получать результаты от многих замерных станций на расстоянии с точностью 2 мк)сек, Предмет изобретения

1. Устройство для ультразвукового контроля горного массива, содержащее ультразвуковой зонд, имеющий систему излучателей и приемников, блок возбуждения излучателей, коммутатор, импульсный усилитель принимаемых сигналов, блок вычисления интервального времени, блок регистрации, отличающееся тем, что, с целью осуществления контроля за состоянием массива горных пород ультразвуком с передачей информации на расстояние, оно состоит из измерительной и регистрирующей частей, каждая из которых имеет приемно-передающую систему, работающую в ультракоротковолновом диапазоне.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемно-передающая система в измери5 тельном блоке подключена к выходу блока вычисления интервального времени, выполненного в виде двух параллельных систем, каждая из которых содержит автогенератор, электронный ключ и резонансный усилитель.

10 3. Устройство по пп. 1 и 2, отличающееся тем, что одна из систем блока вычисления интервального времени подключена к генератору зондирующих импульсов, а вторая — к выходу импульсного усилителя принимаемого

15 сигнала.

4. Устройство по пп. 1, 3, отличающееся тем, что, с целью обеспечения управления работой измерительного блока и переключения в определенной последовательности преобра20 зователей зонда, регистрирующая часть устройства имеет командную систему, состоящую из передатчика и датчика команды, а измерительная часть имеет управляемый блок (приемник команды), исполнительное устройство

25 и коммутатор.

5. Устройство по пп. 1, 4, отличающееся тем, что, с целью контроля за работой измерительной части и последовательности переключения преобразователей зонда, регистрирующая

З0 часть содержит контрольно-коммутационное устройство.