202646. lajstromszámú szabadalom • Berendezés bánya szellőzésének ellenőrzésére
1 HU 202 646 B 2 A találmány tárgya berendezés bánya szellőzésének ellenőrzésére, amely előnyösen alkalmas bányák automatikus szellőztető rendszerében az áramló levegő mennyiségének meghatározására. Ismeretes, hogy a bányák automatikus szellőztető rendszerében a fejtéshelyekre áramló levegő mennyiségének meghatározását a levegő áramlási sebességének mérésével végzik. Légáramlás mérésére különböző, ismert működési elvű megoldások alkalmasak. A gyakorlatban leggyakrabban turbinás, valamint termikus légsebességmérőket használnak. A turbinás érzékelővel rendelkező távjelző műszer előnye a viszonylag egyszerű szerkezet és az, hogy a légsebesség-villamosjel átalakítás karakterisztikája lineárisnak mondható. Hátránya viszont az alacsony légsebesség esetén a bizonytalan működés, bányabeli alkalmazás során pedig 0,2 m/s légsebesség megbízható mérésére is szükség van. Az ismert megoldás további hátránya, hogy a bányabeli körülmények - nedvesség, por, mechanikai hatások - rövid idő alatt meghibásodásokat eredményeznek, így üzembiztos működésük nem biztosítható. Hasonlóan az ismert termikus légsebességmérők üzemeltetését a bányákban a nedvesség és a szennyeződés teszi bizonytalanná. Az áramlásmérők egy másik ismert fajtája az áramlás útjában lévő testről leszakadó örvényeket használja fel légsebesség mérésére. Ezt a jelenségét Kármán Tódor, magyar származású fizikus írta le először. Az ismert jelenségnél az időegység alatt leszakadó örvények száma széles tartományában arányos az áramlási sebességgel. A zavarótestről leváló örvények leszakadási frekvenciája a közeg áramlási sebességén kívül gyakorlatilag a geometriai méretektől függ, akár folyadék, akár gáz a vizsgálat tárgya. A leszakadás frekvnciája érzékelhető például termisztorral, rezgő lemezzel, vagy például induktív jeladóval. Magyarországon az MMG Automatikai Művek az amerikai EASTECH NEPTUNE cég licence alapján gyárt ilyen áramlásmérőket. A 4 584 883 lajstromászámú US szabadalmi leírás olyan áramlásmérőt ismertet, amelynél a Kármán-örvényeket érzékelő lemez rezgését optikai eljárással észlelik. Erre az ismert megoldásra is igaz a termikus és mechanikus működésé légsebességmérőkre vonatkozó korábbi megállapítás, mely szerint bányabeli alkalmazás esetén működését a nedvesség és a szennyeződés bizonytalanná teszi. A találmány célja olyan megoldás létrehozása, amely szennyeződés és nedvesség hatásának ellenáll. Olyan légsebességmérő berendezés kidolgozása a cél, amelynek mechanikai ellenállóképessége nagy, bányabeli, így például metán-, valamint szénpor-robbanásveszélyes körülmények között is használható és amely hagyományos értelemben vett mozgó alkatrészt nem tartalmaz. További célunk, hogy üzemeltetés közben állandó karbantartást ne igényeljen, viszont pontosan, megbízhatóan működjön és előállítási költsége ne haladja meg az ismert, hasonló készülékekét Felismertük, hogy bánya szellőzésének ellenőrzésére biztonságosan alkalmazható a Kármán-féle örvények számolásán alapuló áramlásmérő, abban az esetben, ha a légörvények érzékelésére ultrahanghullámokat alkalmazunk. Kísérleteink során számos problémával találkoztunk. Az áramlás útjába helyezett zavaró testről leváló örvények befolyásolják a rajtuk áthaladó ultrahang terjedési idejét annak megfelelően növelik, vagy csökkentik azt, hogy az örvénylés ellentétes, vagy megegyező irányú az ultrahang terjedési irányával, az örvénynek a hangsugárzó és a mikrofon közötti ultrahangpályába eső részén. Az ultrahang-sugárzót gerjesztő generátor referenciajele és mikrofon felerősített jele közötti fáziskülönbségváltozás periódusszáma kísérleteink alapján a zavaró testből leszakadó örvények számával egyezik. Berendezésünknél fázisdiszkriminátort alkalmazva az örvényleszakadások jól megfigyelhetők. Problémát okoz viszont az, hogy a fázisdiszkiriminátor kimenetén megjelenő zavaró jelek közül sávszűrővel azok egy részét kiküszöböltük, azonban továbbra is olyan zavaró jelek léptek fel, amelyek az üzemszerű működést akadályozzák. A fázisdiszkriminátor két bemenő jele - a mikrofon felerősített B jele és a generátor R referenciajele - közötti fáziskülönbséget vizsgálva az a következő főbb tényezőkből tevődik össze: eB-eR=|.360” + e „(0 + 0MÍO + e(m) ahol X = j 8b a B jel fázisszöge a fázisdiszkriminátor bemenetén 8r a R referenciajel fázisszöge a fázisdiszkriminátor bemenetén d a hangsugárzó és a mikrofon közötti effektiv távolság X az ultrahang hullámhossza a közegben 0h(í) a hangsugárzó villamosjel-ultrahang fáziskarakterisztikája (a frekvencia függvényében) 8m(0 a mikrofon ultrahang-villamosjel fáziskarakterisztikája (a frekvencia függvényében) 0(m) a leszakadó örvények okozta fázismoduláció V az ultrahang terjedési sebessége a közegben f az ultrahang frekvenciája. A 2. ábra a fázisdiszkriminátor relatív kimeneti Uk feszültségkarakterisztikáját ábrázolja a bemeneti jelek ©a-©« fáziskülönbségének függvényében. Az ábra szerint az optimális munkapont a lineáris szakasz közepén 90” fázisértéknél van. FM fázismunkapont optimálistól való eltérése látható módon akkor okoz zavart a működésben, ha az erre szuperponált légörvények okozta 0(m) fázismoduláció fázislökete beleér a 0' és 180*-nál lévő karakterisztika törésbe. A FM fázismunkapont eltolódásának egyik forrása kísérleteinknek megfelelően, a hangsebesség megváltozása a közegben, amelyet a környezeti feltételek (nyomás, hőmérséklet stb.) változása okoz. A hangsebesség megváltozása a hullámhossz megváltozását vonja maga után, amelynek hatása annál számottevőbb, minél nagyobb a hangsugárzó és a mikrofon közötti d távolság a X hullámhosszhoz képest Kísérleteink alapján ez akkor válik kritikussá, ha a d > 10A.. A gyakorlatban felhasználható hangsugárzó és mikrofon nagy jósági tényezőjű mechanika rezonáns elem. 0h(í) és 0m(O fáziskarakterisztikájuk ki realtív frekvenciaváltozásra több száz fokot változik a legjobb jel-zaj viszonyhoz tartozó üzemi frekvencia környezetében. Az FM fázismunkapont nem eléggé stabil üzemi frekvenciájú generátor alkalmazása esetén is kritikusan eltolódhat. Nagy frekvenciastablitású generátort bonyolult, költséges áramkörrel meg lehet ugyan valósítani, ez 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 2
