Датчик контроля скрытой границы уголь-порода Советский патент 1991 года по МПК E21C35/24 

Изобретение относится к устройствам для автоматического вождения угледобывающих машин по гипсометрии пласта.

Известен датчик контроля скрытой границы уголь - порода, содержащий источник гамма-излучения, два детектора, расположенные на разных расстояниях от источника, и фильтр перед ближним к источнику детектором.

Путем подбора толщины фильтра по определенному соотношению можно получить

инвариантность к изменению воздушного зазора в диапазоне 25-120 мм. Для обеспечения нечувствительности к воздушному зазору в указанном диапазоне расстояние между источником и дальним детектором выбирается равным 240 мм, что увеличивает габариты датчика. Такой датчик может быть установлен только на двухлопастные шнеки диаметром не менее 1000 мм (комбайны типа РКУ-13) и совершенно не пригоден из-за своих габаритов для установки на трехлопаOs

о ел о ы

сь

стные шнеки. Кроме того, датчик не вписывается на шнеки диаметром менее 1000 мм (комбайны типа РКУ-10, РКУ-16). В этом случае расстояние между источником и детектором должно быть не более 100 мм.

Известен датчик контроля скрытой границы уголь-порода, содержащий установленные в корпусе источник гамма-излучения и детектор, выполненный в виде кассеты из газоразрядных счетчиков, в нижней части которой размещен фильтр, образующий со стенками кассеты по линии источник излучения-детектор щели, причем площадь дальней от источника излучения щели больше площади ближней щели, а расстояние от источника излучения до центра детектора равно величине требуемого максимального воздушного зазора, при этом площади щелей выбирают из условия

. Si

где Si, 82 - площади ближней и дальней щелей соответственно,

а материал и толщину фильтра выбирают из условия

10 ехр( црй) 20, где fi - массовый коэффициент ослабления фильтром гамма-излучения, см /г;

р - плотность материала фильтра, г/см3;

d - толщина фильтра, см.

Такой датчик используется для автоматизации агрегатов, где он устанавливается в основании секций крепи. Расстояние между источником и детектором составляет 50 мм, датчик не чувствителен к колебаниям воздушного зазора 5-60 мм. Для обеспечения нечувствительности датчика к колебаниям воздушного зазора от 30 до 120 мм, что является определяющим условием его работы на шнеке комбайна, необходимо увеличивать расстояние между источником и детектором до 150 мм или использовать протяженный детектор, например счетчик СГМ-19, длиной 170 мм. Все это приводит к увеличению габаритов датчика и, как следствие, невозможности размещения его на трехлопастных шнеках диаметром менее 1000 мм (комбайны РКУ-10, РКУ-16).

К недостаткам датчиков следует также отнести отсутствие возможности получения требуемой скорости счета детектора при калибровке датчика на конкретный объект, что весьма желательно, так как угли различных бассейнов имеют разную плотность и химсостав, а также отсутствие приспособления для установки источника гамма-излучения в рабочее и нерабочее положение, что необходимо для повышения безопасности при

транспортировке датчика и проведении ремонтных работ на комбайне в шахтных условиях.

Цель изобретения - уменьшение габаритов и расширение области применения датчика, а также повышение безопасности при транспортировке.

Поставленная цель достигается тем, что на одном конце корпуса выполнен срез под

0 углом 25-50° к основанию, перпендикулярно плоскости среза в корпусе выполнено сквозное отверстие с установленным в нем винтом, на конце которого со стороны основания корпуса закреплен источник гамма5 излучения, при этом газоразрядные счетчики кассеты соединены и установлены перпендикулярно к основанию корпуса, а габаритные размеры счетчиков определяются по соотношению

0 0,5 d/L 0,16, 0,3N d 0.08N; где d - диаметр счетчика; L - длина счетчика; N - длина кассеты.

5Кроме того, поставленная цель достигается тем, что сквозное отверстие армировано свинцовым цилиндром. При этом с целью повышения безопасности датчик снабжен поворотным устройством, выполненным в

0 виде цилиндра с фиксатором и с радиальным отверстием, в котором размещен источник гамма-излучения.

На фиг. 1 показан датчик со стороны основания, общий вид; на фиг 2 - разрез

5 А-А на фиг. 1; на фмг. 3 - зависимости скорости счета импульсов детектора от величины воздушного зазора; на фиг. 4 -- выходные характеристики датчика.

Датчик состоит из стального корпуса 1,

0 источника гамма-излучения 2, детектора 3, выполненного в виде кассеты 4, фильтра 5, который расположен в нижней части кассеты 4 между контролируемой средой и детектором 3. Фильтр 5 имеет ширину, -равную

5 длине кассеты. Между боковыми стенками кассеты по линии источник излучения-детектор и фильтром образованы щели: ближняя к источнику щель 6 шириной И и дальняя от источников щель 7 шириной 1г. На одном конце

0 корпуса выполнен срез 8 под углом а- 30° к основанию 9. Перпендикулярно плоскости среза в корпусе выполнено сквозное отверстие 10, которое армировано свинцовым цилиндром 11. Плавное перемещение и

5 фиксация источника гамма-излучения при настройке датчика на конкретный объект осуществляется с помощью резьбового приспособления 12 через отверстие 13.

В корпусе датчика размещено поворотное устройство, выполненное в виде цилиндра 14 из стали и имеющее радиальное отверстие 15. Поворот устройства в рабочее положение, при котором радиальное отверстие в цилиндре с источником гамма-излучения и отверстие в корпусе датчика совпадают, осуществляется с помощью фиксатора, выполненного в виде вала 16, фиксируемого крепежным винтом 17.

Детектор 3 представляет собой залитую эпоксидным компаундом кассету из газоразрядных счетчиков 18, соединенных между собой параллельно и установленных так, что их продольные оси перпендикулярны к основанию кбрпуса. Сигнал в виде импульсов напряжения снимается с нагрузочных резисторов 19 через разделительную емкость (не показана).

Датчик рэ&отьет следующим образом.

Гамма-излучение от источника 2 направлено на контролируемую среду уголь-порода. Обратно рассеянное гамма-излучение регистрируется детектором 3. Интенсивность регистрируемого излучения является мерой толщины угольной пачки и растет с ростом последней. При увеличении воздушного зазора между датчиком и контролируемой средой уголь-порода от гцвз до Г12вз регистрируемая детектором интенсивность излучения lti прошедшего через ближнюю щель И, будет изменяться. Характер ее изменения обусловлен следующими факторами: во-первых, If будет увеличиваться вследствие увеличения интенсивности обратно рассеянного гамма-излучения за счет увеличения области взаимной видимости источник-детектор в рассеивателе от Б до В; во-вторых, lit будет уменьшаться вследствие уменьшения рабочего объема детектора, регистрирующего гамма-кванты, прошедшие через ближнюю щель l i. Так, из фиг. 2 видно, что при воздушном зазоре Л2вз и рассеянии от элементарного объема dv рабочий объем детектора, ограниченный лучом уг , меньше, чем рабочий объем детектора, ограниченный лучом у при воздушном зазоре Итвз.

Подобрав диаметр d и длину газоразрядного счетчика L, от которых зависит рабочий объем детектора, а также угол среза а, который при одном и том же расстоянии от источника до детектора определяет область взаимной видимости источник-детектор в рассеивателе, можно добиться того, чтобы второй процесс преобладал над первым и (йуменьшалась бы с увеличением воздушного зазора. Установлено, что это наблюдается при угле « 25-50° и соотношении

0,5 d/l 0,16(1)

По аналогичным причинам будет изменяться интенсивность излучения I& .прошедшего через дальнюю щель ft, однако при увеличении воздушного зазора до опреде-

5 ленной величины h; будет только увеличиваться за счет увеличения зоны взаимной видимости источник-детектор в рассеивателе и за счет увеличения рабочего объема детектора, регистрирующего гамма-кванты,

10 прошедшие через дальнюю щель (г Из фиг. 2 видно, что рабочий объем детектора, ограниченный лучом }, при воздушном зазоре f

П2вз больше объема детектора, ограниченi.

«с ного лучом у-; при воздушном зазоре hies.

Рабочий объем детектора в этом случае определяется не только габаритами счетчика, но и длиной N окна под детектором. Установлено, что скорость роста интенсивности Q Ife пропорциональна скорости уменьшения

интенсивности Ij при соблюдении соотношения

0,3N d 0,08N.(2)

Таким образом, при выполнении усло- 5 вий (1) и (2) и угле « 25-50° в результате сложения убывающей Ift и возрастающей l интенсивностей суммарная интенсивность излучения, регистрируемая детектором cyMM liiHfy будет оставаться постоянной в Q требуемом диапазоне изменения воздушного зазора. Сказанное поясняется зависимостями (hB3), приведенными на фиг. 3, где п - скорость счета импульсов детектора, являющаяся мерой интенсивности излуче- 5 ния I. В измерениях детектор состоит из кассеты, включающей 24 малогабаритных газоразрядных счетчиков типа С5М-10. В качестве источника излучения используется радионуклида AM 241 с энергией гамма-кван- Q тов 60 кэВ.

Контролируемая среда представляет собой двухслойную модель границы порода-уголь. Порода имитируется бетонным блоком толщиной 200 мм, плотностью 2,2 г/см3, 5 уголь - графитовой плитой толщиной 20 мм, плотностью 1,6 г/см . Плита укладывается на бетонный блок, датчик размещается над плитой с воздушным зазором, величина которого изменяется в диапазоне 20-140 мм, 0Кривая 20 отображает характер уменьшения интенсивности излучения In, прошедшего к детектору только через щель ti при увеличении воздушного зазора от 30 до 140 мм. При этом дальняя щель $ закрыта свин- 5 цовой пластиной толщиной 10 мм, практически полностью поглощающей отраженное излучение. Кривая 21 характеризует рост интенсивности излучения lЈ, прошедшего к детектору только через щель Ъ. при увеличении воздушного зазора от 20 до 120 мм. В этом

случае щель h закрыта свинцовой пластиной, Кривая 22 характеризует суммарную интенсивность излучения (сумм, регистрируемого детектором. Открыты обе щели Ьи fc. Видно, что 1Сумм остается практически постоянной при изменении воздушного зазора от 30 до 120 мм.

Диаметр d, длина L счетчика, длина N окна под детектором удовлетворяют соотношениям (1) и (2) и равны соответственно 6,13 и 50 мм. Угол среза а 30°, толщина стального фильтра равна 5 мм, ,5 мм, мм. Расстояние между центром источника излучения и центром детектора равно 86 мм. Методика выбора толщины фильтра, ширины ближней и дальней щели следующая.

Пусть требуется обеспечить нечувствительность датчика к воздушному зазору в пределах его изменения от hiB3 до П2вз.

1.Настройка датчика проводится на модели, имитирующей двухслойную среду уголь-порода и состоящей из графитовых плит переменной толщины ( ,6 г/см j и бетонного блока ( ,2 г/см3). Толщину графитовой плиты над породой устанавливают равной половине диапазона измерения толщины угольной пачки соответствующим датчиком порода-уголь. При использовании в качестве источника излучения Am с энергией гамма-квантов 60 кэВ толщину графитовой плиты над породой устанавливают равной 20 мм.

2.Датчик порода-уголь размещают над двухслойной средой с воздушным зазором П1вз. Окно под детектором закрывают стальным фильтром переменной толщины обеспечив наличие только дальней от источника щели. Снимают зависимости скорости счета детектора от величины воздушного зазора riq т(Ьвз) при различной толщине фильтра ширине дальней щели. Увеличивая толщину фильтра, добиваются, чтобы точка инверсии на зависимости ng т{пвэ) приходилась на значение величины воздушного зазора не менее, чем П2вз. При использовании источника из Am толщину фильтра варьируют от 1 до 7 мм. Для датчиков порода-уголь, устанавливаемых на шнеке комбайна, величина П2вз 100-120 мм, толщина стального фильтра при этом равна 5 мм,

2.1. Установив под детектором фильтр выбранной толщины, снимают зависимости скорости счета от величины воздушного зазора (пвз) при различной ширине дальней щели. Зависимость пди f(hB3) имеет инверсионный характер - рост скорости счета при увеличении воздушного зазора hies до пинв.вз и спад - при Ивз пинв.вэ.

Ширину дальней щели увеличивают до тех пор, пока точка инверсии на зависимости (г1вэ) не сместится в область hB3 П2вз. Практически достаточно иметь семь зависи- мостей вида (hB3) при различной ширине дальней щели ( fei , 622 f2y )

3.Выбрав толщину стального фильтра по пункту 2 и сняв серию зависимостей по пункту 2.1, переходят к выбору ширину

0 ближней щели.

3.1.Датчик порода-уголь размещают под двухслойной средой с воздушным зазором hies. Окно под детектором закрывают стальным фильтром, обеспечив наличие

5 только ближней к источнику щели шириной ft Кроме того, под стальным фильтром устанавливают вплотную к нему свинцовую пластину толщиной 10 мм, в которой также имеется только ближняя к источнику щель

0 шириной . Снимают зависимости скорости счета детектора от величины воздушного зазора (г1вэ) при различной ширине ближней щели.

Зависимость (hB3) имеет инверсион5 ный характер. Ширину ближней щели увеличивают до тех пор, пока будет иметь место падающий характер зависимость (haa) в диапазоне изменения воздушного зазора от hies до Ьааз.Варьируя ширину (в , ъ ,... fi7 )

0 ближней щели, практически достаточно иметь семь зависимостей вида ).

3.2.Окно под детектором полностью закрывают стальным фильтром, Подетальным фильтром устанавливают свинцовую пла5 стину по пункту 3 1. Снимают зависимости скорости счета детектора от величины воздушного зазора пб+ф f (Нвз) при различной ширине ближней щели в свинце

(til , Ј12 - fi7 ),причем ширина ближней

0 щели в свинце устанавливается каждый раз такой же, как в пункте 3.1. В результате получают семь зависимостей вида

Пб+ф f (П8з)

3.3.Используя зависимости по пунктам 5 3.1 и 3.2, строят семь зависимостей вида

(пб-пб+ф f (Ьвз)

4.Из серии возрастающих зависимостей по пункту 2.1 и серии убывающих зависимостей по пункту 3.3 выбирают две таких,

0 при сложении которых получают зависимость -(пч-ь Пб-пб-кр):: const при изменении воздушного зазора от hiB3 до h 2вз- Ширина ближней Pi и ширина дальней fe щели однозначно определяются выбранными зависи5 мостями, так как каждая зависимость в серии получена при определенном значении ширины ближней или дальней щели.

Пользуясь приведенной методикой, выбирают щели в фильтре для конкретного датчика, приведенного на фиг. 2, которые

оказались следующими: ,5 мм, мм. Толщина стального фильтра равна 5 мм.

Выходные характеристики датчика приведены на фиг. 4. Цифры у кривых обозначают (в мм) толщину угольной пачки над породой. Видно, что скорость счета п датчика порода-уголь практически остается постоянной при изменении воздушного зазора Ьвз от 30 до 120 мм при малых габаритах датчика.

Благодаря предлагаемой конструкции датчика расстояние источник-детектор, определяющее габариты датчика, не превышает 100 м. При этом обеспечивается нечувствительность к воздушному зазору в требуемом диапазоне его изменения. Минимально возможное расстояние между источником и детектором определяется, в данном случае, лишь толщиной материала корпуса датчика между ними, необходимого для по- глощения прямого излучения источника.

Такой датчик может быть размещен на шнеке любого диаметра и может быть использован для автоматизации комбайнов любого типоразмера.

Формула изобретения

1. Датчик контроля скрытой границы уголь-порода, содержащий установленные з корпусе источник гамма-излучения и де- гектор, выполнекчый в виде кассеты из га- зоразрядных счетчиков, в нижней части которой размещен фильтр, образующий с

боковыми стенками кассеты по линии источник излучения - детектор щели, отличаю щ и и с я тем, что, с целью уменьшения габаритов и расширения области применения датчика, на одном конце корпуса выполнен срез под углом 25-50°к основанию, перпендикулярно плоскости среза в корпусе выполнено сквозное отверстие с установленным в нем винтом, на конце которого со стороны основания корпуса закреплен источник гамма-излучения, при этом газоразрядные счетчики кассеты соединены между собой параллельно и установлены так, что их продольные оси перпендикулярны к основанию корпуса, а габаритные размеры счетчиков определяются по соотношению

0,5 d / L 0,16 0.3N d 0,08N, где d - диаметр счетчика; L - длина счетчика; N -длина кассеты.

2.Датчик по п. 1,отличающийся тем, что сквозное отверстие в корпусе армировано свинцовым цилиндром.

3.Датчик по п. 1,отличающийся тем, что, с целью повышения безопасности при транспортировке датчика, он снабжен поворотным устройством, выполненным в виде цилиндра с фиксатором и радиальным отверстием, в котором размещен источник гамма-излучения.

Изобретение относится к автоматическому вождению угледобывающих машин по гипсометрии пласта. Цель - уменьшение габаритов и расширение области применения датчика. Для этого на одном конце корпуса выполнен срез под углом 25 - 50° к основанию. Перпендикулярно плоскости среза в корпусе выполнено сквозное отверстие с установленным в нем винтом, на котором со стороны основания корпуса закреплен источник гамма-излучения. Датчик имеет газоразрядные счетчики-кассеты, соединенные между собой параллельно и установленные так, что их продольные оси перпендикулярны к основанию корпуса. Сквозное отверстие в корпусе армировано свинцовым цилиндром. Для повышения безопасности при транспортировке датчика источник гамма-излучения расположен в цилиндре с фиксатором и радиальным отверстием. Благодаря данной конструкции датчика расстояние источник - детектор, определяющее габариты датчиков, не превышает 100 мм. При этом обеспечивается нечувствительность к воздушному зазору в требуемом диапазоне его изменения. Минимально возможное расстояние между источником и детектором определяется в данном случае, лишь толщиной материала корпуса датчика между ними, необходимого для поглощения прямого излучения источника. 2 з.п.ф-лы. 4 ил.

Фиг.1

Ј 9Пф ut8V QSl OU Oli 001 06 08 0Ј 09 05 Ob Of 01

ч11 1j(1111и

zz

г/

0

Ш

ooz

t ooc

t.3 U

г гпф .

к-к

9eOS99l

саш

о--о300-о о о-оwo

о- о о-о20 30 W 50 60 70 80 30 700 ПО 120

фигЛ

Редактор Н. Яцола

Техред М.Моргентал

Заказ 2376Тираж 299Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Корректор- В. Гирняк