устройство измерения скорости шахтной вентиляции

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ШАХТНОЙ ВЕНТИЛЯЦИИ, содержащее чувствительный элемент и регистрирующий прибор, отличающееся, что чувствительный элемент выполнен в виде подвешенного на упругом эластичном шнуре пустотелого негерметичного шара, причем регистрирующий прибор выполнен в виде омметра, а шнур выполнен в виде петли нити из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например из резины или латекса, и одним концом прикреплен к шару без электрического контакта торца нити с шаром, а другим к неподвижной балке, при этом свободные концы нити шнура соединены с входами омметра.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ автоматического контроля скорости шахтной вентиляции, согласно которому в газовом потоке устанавливают измерительный и компенсационный стабилитроны, причем генератор тока через настроечный резистор присоединяют к компенсационному стабилитрону, неинвертирующий вход операционного усилителя присоединяют к выходу генератора тока, инвертирующий вход соединяют с входом полевого транзистора и измерительным стабилитроном, выход операционного усилителя подключают к затвору полевого транзистора, сток полевого транзистора подсоединяют к резистору, а входы компаратора подсоединяют к резистору и источнику опорного напряжения, вторые выводы источника тока и обоих стабилитронов объединяют на общем проводе.

Известно устройство для измерения скорости жидкости или газа, содержащее цилиндрический сосуд, зонд с двумя приемниками давления, один из которых, выполненный в виде отверстия, расположен в передней части зонда, а другой в задней части зонда, в котором приемник давления, расположенный в задней части зонда, выполнен в виде щели, симметричной относительно первого приемника давления, длина которой по окружности составляет 0,4-0,6 периметра цилиндрического зонда. Недостатком известного способа является низкая точность определения скорости газа с газоугольном потоке за счет влияния пыли и угольных частиц при измерении скорости газа.

Известен способ контроля скорости шахтной вентиляции, включающий установку в потоке пневмометрических приемников, измерение ими статического давления, в котором для повышения точности в сечении газоугольного потока выброса устанавливают неудобообтекаемое тело, а пневмометрические приемники располагают на теневой поверхности, измеряют донное давление неудобообтекаемого тела, при этом замер статического давления и донного давления 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. Недостатком известного устройства является невозможность автоматического определения расхода запыленного потока.

Известно устройство контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее чувствительный элемент, подключенный к дифманометру с регистрирующим прибором, в котором чувствительный элемент выполнен в виде двух полых штанг с соосно расположенными на них трубками истечения и подпора инертного газа, причем потоки истечения из трубок направлены навстречу друг другу и перпендикулярно направлению измеряемого потока. Недостатком известного способа является низкая точность измерения скорости из-за малой чувствительности.

Целью изобретения является повышение точности контроля скорости шахтной вентиляции за счет увеличения чувствительности.

Достигается это тем, что в способе контроля шахтной вентиляции, включающем установку зонда в потоке воздуха, зонд подвешивают на упругом эластичном шнуре, причем в качестве зонда используют пустотелый негерметичный шар, а о скорости вентиляции судят по удлинению шнура.

Целью изобретения в части устройства является повышение точности контроля скорости шахтной вентиляции за счет увеличения чувствительности при одновременном повышении надежности за счет упрощения устройства.

Достигается это тем, что в устройстве контроля скорости шахтной вентиляции, содержащее чувствительный элемент и регистрирующий прибор, чувствительный элемент выполнен в виде подвешенного на упругом эластичном шнуре пустотелого негерметичного шара, причем регистрирующий прибор выполнен в виде омметра, а шнур выполнен в виде петли нити из электропроводной резины, помещенной а изоляционную эластичную оболочку, например из резины или латекса, при этом свободные концы нити соединены со входами омметра.

Изобретательский акт при создании способа заключается в преодолении технического противоречия, сущность которого состоит в следующем. При обычном инженерном проектировании, в отличие от изобретательства, для повышения точности измерений обычно прибегают к применению помехоустойчивых блоков и узлов, к отдельному измерению сильных влияющих параметров и к введению по ним коррекции, к использованию специальных резонансных явлений и эффектов и т.д. но при этом одновременно усложняются измерения, увеличивается трудоемкость измерений и падает надежность измерений. В настоящем способе это техническое противоречие преодолено точность измерений повышена не только без их усложнений, но даже при одновременном упрощении процесса измерений и упрощении применяемых для измерений приспособлений и операций для проведения измерений. Для преодоления технического противоречия в способе необходимы и достаточны следующие отличительные признаки способа: зонд подвешивают на упругом эластичном шнуре; в качестве зонда используют пустотелый негерметичный шар; о скорости вентиляции судят по величине удлинения шнура. Все три отличительных признака сформулированы конкретно в смысле однозначности выполняемых признаками функций. Одновременно все три отличительных признака сформулированы общо в смысле возможности различных вариантов их выполнения в пределах обеспечения однозначных действий, предписанных этим признакам. Поэтому заменить любой из признаков на эквивалентный невозможно. Из приведенного ниже описания с однозначностью следует, что при исключении любого из трех отличительных признаков способа не будет преодолено техническое противоречие. Ни один из трех отличительных признаков неизвестен даже сам по себе по отдельности, и тем более ни один из них не мог раньше служить ни для контроля скорости вентиляции, ни для преодоления технического противоречия при контроле скорости. Поэтому, по мнению авторов, совокупность трех отличительных признаков способа соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия", а способ соответствует изобретательскому уровню.

Изобретательский акт при создании устройства также состоит в преодолении технического противоречия, сущность которого заключается в следующем. Для повышения точности устройства при обычном инженерном проектировании в устройство вводят дополнительные блоки стабилизации, помехоустойчивой фильтрации, термостабилизации, блоки коррекционных измерений и так далее, но при этом усложняется устройство и снижается его надежность по внезапным отказам. В настоящем устройстве это техническое противоречие преодолено точность измерения повышена при одновременном упрощении устройства. Для преодоления этого технического противоречия необходимы и достаточны следующие отличительные признаки устройства: чувствительный элемент выполнен в виде подвешенного на упругом эластичном шнуре пустотелого негерметичного шара; регистрирующий прибор выполнен в виде омметра; шнур выполнен в виде петли нити из электропроводной резины, помещенной в изоляционную эластичную упругую оболочку, например из резины или латекса; свободные концы нити соединены со входами омметра. Из приведенного ниже описания однозначно следует, что при исключении из устройства любого из этих четырех отличительных признаков техническое противоречие не будет преодолено. Второй признак известен сам по себе по отдельности, хотя он никогда ранее не служил ни для контроля скорости вентиляции, ни для преодоления технического противоречия при таком контроле. Остальные три отличительных признака неизвестны даже по отдельности сами по себе и никогда ранее не применялись для контроля скорости вентиляции. Все четыре отличительных признака сформулированы конкретно в смысле однозначности выполнения ими предписанных функций. Одновременно все признаки сформулированы общо в смысле их конструктивного различного выполнения при сохранении тех же выполняемых функций. Поэтому, по мнению авторов, совокупность четырех отличительных признаков устройства соответствует критериям "новизна" и "существенные отличия", а устройство соответствует изобретательскому уровню.

На фиг. 1 показана схема устройства, где для лучшего показа конструкции дан поперечный осевой разрез шнура, а сечение разреза в поперечном направлении дано увеличенным; на фиг. 2 отклонение подвешенного на шнуре шара при движении шахтного воздуха со скоростью.

Способ контроля скорости шахтной вентиляции реализуется следующей последовательностью операций.

Пустотелый негерметичный шар подвешивают на упругом эластичном шнуре в потоке шахтного воздуха. По величине удлинения шнура судят о скорости шахтной вентиляции.

Устройство для контроля скорости шахтной вентиляции содержит чувствительный элемент и регистрирующий прибор 1. Чувствительный элемент выполнен в виде подвешенного на упругом эластичном шнуре 2 пустотелого негерметичного шара 3. Регистрирующий прибор 1 выполнен в виде омметра. Шнур 2 выполнен в виде петли нити 4 из электропроводной резины, помещенной в изоляционную оболочку 5, например из резины или латекса. Свободные концы нити 4 соединены с входами омметра 1. Шнур 2 прикреплен к шару 3 без электрического контакта торца 6 нити 4 с шаром 3, например, с изоляцией прокладкой 7. Другой конец шнура 2 прикреплен к неподвижной планке 8. Через планку 8 пропущены свободные концы нити 4 без электрического контакта концов нити 4 с планкой 8, например, с использованием изоляционной оболочки 5. Жилы нити 4 изолированы в шнуре 2 друг от друга прокладкой 9.

Работа устройства осуществляется следующим образом. В требуемом месте контроля на планке 8 закрепляют шнур 2 с прикрепленным к нему шаром 3. Под действием потока воздуха со скоростью шар 3 отклоняется, как показано на фиг. 2, растягивая шнур 2 с силой, прямо пропорциональной скорости вентиляции V. Нити 4 шнура 2 соединены со входами омметра, который установлен неподвижно и непрерывно измеряет сопротивление нити 4. Упругий эластичный шнур 2 при любых удлинениях из-за изменений скорости V шахтной вентиляции работает в пределах упругих деформаций, при которых в любой момент времени объем шнура 2 и объем нити 4 остаются постоянными.

Поэтому при увеличении длины нити 4 в 2 раза от l до 2l ее поперечное сечение уменьшается также в 2 раза от S до S/2 так, чтобы объем нити W lS оставался постоянным. Для общего случая удлинение нити в n раз от l до nl ее поперечное сечение S уменьшается также в n раз от S до S/n. Нить 4 изготовлена из электропроводной резины. Известно, что сопротивление любого проводника, в том числе и нити из электропроводной резины, прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально поперечному сечению S и зависит от удельного сопротивления

R l/S. (1)

Из формулы (1) видно, что при увеличении длины от l до nl поперечное сечение уменьшается в n раз от S до S/n, а сопротивление R увеличивается в n² раз. Таким образом, устройство обеспечивает увеличение чувствительности в n раз по сравнению с известными линейными устройствами измерения скорости вентиляции.

Так, например, при увеличении длины в 2 раза в обычных известных устройствах сигнал изменяется также в 2 раза (для лучших известных устройств измерения скорости вентиляции). В настоящем устройстве при увеличении длины в 2 раза сопротивление нити, а следовательно, и показания омметра увеличивается уже в 4 раза. При трехкратном удлинении шнура сопротивление нити увеличивается уже в 9 раз, превышая показания известных устройств в 3 раза.

Полная круговая симметрия шара 3 обеспечивает одинаковые удлинения шнура 2 и нити 4 при любых направлениях потока воздуха в шахте. Если шар 3 заменить на любое тело, то при изменениях скорости и направления вентиляции будут возникать погрешности измерения скорости при изменениях направления вентиляции. Так, например, при замене шара 3 на куб погрешность будет возникать при изменении угла между направлением вентиляции и гранью куба от 90^о до любого другого угла: максимальные показания будут при угле наклона грани к направлению вентиляции в 90^о, а минимальные при угле 45^о, когда куб повернется ребром к потоку шахтного воздуха. При замене шара цилиндром показания будут изменяться по мере отклонения цилиндра от вертикального направления, что присуще и выполнению в виде куба. Замена шара 3 на любые другие тела, отличные от шара, приведет к еще большим погрешностям и из-за их несимметричности по всем направлениям и из-за их отклонений от вертикального положения. Поэтому замена шара 3 на тело любой другой формы невозможна.

Шар выполнен полым, чтобы иметь большие размеры при минимальном весе. Это обеспечивает большую силу отклонения шара воздушным потоком на единицу веса шара. Поэтому при малом весе и большом диаметре шара даже малые скорости потока воздуха в выработке приведут к отклонению шара от вертикального положения на большой угол и приведут к большим изменениям длины шнура 2 и нити 4, то есть к большим изменениям сигнала с омметра 1. Этим самым обеспечивается большая чувствительность к скорости вентиляции в шахте.

Для обеспечения работы устройства в требуемом диапазоне контроля скоростей вентиляции соответствующим образом выбирают жесткость шнура 2, вес и диаметр шара 3 так, чтобы при любых изменениях скорости воздуха шнур работал в пределах упругих деформаций.

Шар 3 выполнен негерметичным. При этом в любой момент времени пустотелый негерметичный шар 3 будет заполнен тем шахтным воздухом, скорость которого измеряется устройством. Если бы шар 3 был выполнен герметичным то при изменении температуры окружающего воздуха при расширении шара происходило бы изменение его средней плотности (с ростом температуры средняя плотность шара уменьшается из-за его расширения, а с уменьшением температуры средняя плотность шара увеличивается из-за его уменьшения). При этом изменялась бы выталкивающая сила, действующая на шар, что приводило бы к изменениям длины шнура 2 и нити 4 и к изменениям показаний омметра 1, то есть к возникновению погрешности при измерении скорости вентиляции. Кроме того, при выполнении шара 3 герметичным выталкивающая сила на шар изменялась бы при изменениях плотности окружности окружающего воздуха без изменений окружающей температуры, например, из-за изменений давления, влажности или запыленности окружающего воздуха. Но шар 3 выполнен негерметичным и поэтому выталкивающая сила на шар при изменениях плотности окружающего воздуха остается постоянной. Поэтому выполнение шара 3 негерметичным является обязательным для повышения точности измерения скорости вентиляции.

Неподвижная планка 8 с закрепленным на ней шнуром 2 и прикпепленным на шнуре 2 полым негерметичным шаром 3 и соединение концов нити 4 с омметром 1 обеспечивают простоту устройства и надежность его работы: неподвижный омметр 1 в любой момент времени измеряет сопротивление нити 4, то есть скорость вентиляции; сигнал о скорости вентиляции получается без применения движущихся механизмов и трущихся деталей, как это имеет место в любых резистивных датчиках измерения перемещений; сигнал о скорости не изменяется при изменении окружающей температуры, как это имеет место в любых резистивных датчиках перемещения или силы; сигнал о скорости не зависит от плотности окружающего воздуха, как это имеет место в большинстве измерителей скорости вентиляции. Поэтому конструкция устройства является устойчивой в том смысле, что любые изменения деталей или их соединений между собой приведут и к снижению точности измерения скорости, и к усложнению устройства. Поэтому вся совокупность отличительных признаков является и необходимой и достаточной для повышения точности при одновременном упрощении устройства, то есть для преодоления технического противоречия.

Техническими преимуществами устройства по сравнению с прототипом являются: упрощение устройства за счет исключения сложных дорогих и ненадежных чувствительного элемента и дифманометра с регистрирующим прибором на упругий шнур с шаром и омметром; повышение точности измерений за счет увеличения чувствительности в n раз, за счет исключения влияния изменений плотности окружающего воздуха, его запыленности, влажности и температуры.