УСТРОЙСТВО для УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЯ ГОРНОГО МАССИВА Советский патент 1972 года по МПК E21C39/00 G01V1/13 

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 времени, 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 апиаратуры.

Цель достигается применением для получения информации о состоянии массива пород ультразвуковой аппаратуры контроля и передачи информации по радио и использованием в качестве волновода горной выработки.

Передача информации с каждой замерной станции осуществляется малогабаритной приемно-передающей системой, выполненной на полупроводниковых приборах. Прием информации от группы замерных станций производится малогабаритной приемно-передающей аппаратурой, включенной в цепь регистрирующего блока. Переключение датчиков и включение передаюш,ей аппаратуры на каждой замерпий станции производится в определенном порядке дистанционно по радио. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

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

измерений (на замерной станции), и регистрирующей части, которая устанавливается на значительном (3-4 /сиг) расстоянии в безопасном и уДобном для проведения работ месте. Измерительная часть устройства состоит из

вателей-излучателей li, l, h, , n, ультразвуковых преобразователей-приемников 2i, 2-, 2z, ..., 2n, коммутатора 5; блока 4 управляющих импульсов; генератора 5 зондирующих импульсов; импульсного усилителя 6; автогенераторов 7, 8; электронных ключей 9, 10; резонансных усилителей //, 12; модулятора 13; передатчика 14, дуплексного фильтра 15; управляемого блока 16; 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 26 и контрольно-коммутационное устройство 27.

Ультразвуковые преобразователи h, /3, /3,..., In предназначены для преобразования электрических импульсов ультразвуковой частоты в механические колебания высокой частоты, излучаемые в массив горных пород.

Ультразвуковые преобразователи-приемники 2i, 22,..., 2„ предназначены для преобразования механических колебаний в электрические импульсы ультразвуковой частоты.

Коммутатор 3 выполнен на базе щагового искателя, срабатывает по сигналу исполнительного устройства 17 и предназначен для переключения ультразвуковых излучателей /ь 2, , ., In и приемников 2i, 22, 2з, ..., 2„, для передачи на излучатели /i, /2, з,..., In зондирующего импульса от генератора зондирующих импульсов, для передачи принятых сигналов от ультразвуковых приемников 2i, 22, 2з,..., 2п на импульсный усилитель 6.

Блок 4 управляющих импульсов выполнен по схеме генератора с индуктивной связью на одном транзисторе типа р-п-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 - п - р и предназначен для формирования периодических электрических импульсов с частотой 60 кгц, посылаемых в ультразвуковые преобразователи-излучатели /1, /2, 1з, ; In через коммутатор 5 и через емкость в электронный ключ 10, фиксирующий время их поступления в преобразователи-излучатели.

Импульсный усилитель 6 выполнен на транзисторах типа р - п - р по супергетеродинной схеме с заземленным эмиттером, через емкость подключен к электронному ключу 9 и предназначен для усиления электрических сигналов с частотой 60 кгц, поступающих от ультразвуковых преобразователей-приемников 2i, 22, 2з,..., 2„ через коммутатор 3. Чувствительность импульсного приемника не хуже 1 мкв.

трехточечной схеме, подключены через делитель напряжения к электронным ключам 9 и 10, соответственно, и предназначены для генерирования синусоидальных колебаний счастотой 11 кгц и 12,3 кгц.

Электронные ключи 9 и 10 выполнены на транзисторе типа р - п - р и соединены через емкость с резонансными усилителями 11 и /2 соответственно. Ключ 9 предназначен для

пропускания сигнала от автогенератора 7 в момент поступления усиленного сигнала с частотой 60 кгц от импульсного приемника 6 с целью фиксирования поступления упругих колебаний высокой частоты, прощедщих через

массив горных пород, в ультразвуковые преобразователи-приемники 2i, 22, 2з, ..., 2п; ключ 10 предназначен для пропускания сигнала от автогенератора 8 в момент поступления зондирующего импульса от генератора 5 с целью

фиксирования поступления электрических импульсов в ультразвуковые преобразователиизлучатели /1, /2, /3, .-., Jn.

Резонансные усилители 11 и 12 выполнены каждый на транзисторе типа р - п - р, настроены На частоте 11 и 12,3 кгц, подключены к модулятору 13 через разделительную емкость и предназначены для усиления сигналов, поступающих с автогенераторов в момент отпирания электронных ключей.

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

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

в волновод (горная выработка). Суммарная нестабильность частоты передатчика от всех дестабилирующих факторов не превыщает+б Ю-, выходная мощность составляет 0,5 вт, модуляция частотная.

Дуплексные фильтры 15 и 20 выполнены по

схеме индуктивно-емкостного П-фильтра

п служат для разделения сигналов приема

и передачи.

Управляемый блок 16, выполненный натранзисторах р - п - р-типа, представляет собой чувствительный приемник, настроенный на частоту передатчика 25, расположенного в регистрирующей части устройства, подключен к исполнительному устройству 17 через эмиттерный повторитель и предназначен для приема команд от передатчика 25 и включения исполнительного устройства 17.

Исполнительное устройство 17, выполненное на одном транзисторе типа р - п - р, представляет собой электронный фильтр и служит для включения по команде регистрирующей части устройства передатчика 14 и коммутирующего устройства 3. Приемник 21, имеющий кварцевую стабилиpax р - п - 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 - п - ртипа по схеме LC-фильтра, настроены, соответственно, на 12,3 и И кгц. 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. Усилитель 23 через емкость подключен ко входу усилителя вертикальной развертки и предназначен для пропускания фиксированной частоты автогенератора 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 - п - 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 3 и передатчика 14. Передатчик 25 выполнен на транзисторах типа р-п-р с кварцевой стабилизацией частоты и частотной модуляцией. Мощность передатчика 1 вт.

Модулятор 26 выполнен на транзисторе типа р - п - р по схеме 1/ С-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 (горная выработка). Пройдя через горную выработку, сигнал поступает в антенну 18 измерительной части устройства, принимается работающим в ждущем режиме управляемым блоком 16 через дуплексный фильтр 15 и поступает в исполнительное устройство 17. Срабатывает реле исполнительного устройства 17, включающее передатчик 14 и коммутатор 5, который, включивщись, подает питание на все блоки в этой части устройства.

Коммутатор 3 по команде со второй части переключает попарно ультразвуковые преобразователи У - 2i, /2 - 2, /3 - 2з,..., In - 2п. Получив питание, блок управляющих импульсов 4 запускает генератор зондирующих импульсов 5, который подает импульсы ультразвуковой частоты на электронный ключ 10, а также через коммутатор 3 на излучатели ультразвука /i, l-, h, -, In, 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 кгц, который усиливается по напряжению резонансным усилителем 12 и подается в модулятор 13. Промодулированный по

поднесущей частоте модулятором 13 сигнал поступает в передатчик 14, который передает его через дуплексный фильтр 15 и антенну /S в волновод (горная выработка). Пройдя через волновод, радиосигнал поступает через антенну 19 и дуплексный фильтр 20 в приемник 21 второй части устройства. Принятый сигнал поступает в резонансный усилитель 22, который настроен на частоту автогенератора 8. Сигнал с частотой 12,3 кгц 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

включается 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 2i, 22, 2з,..., 2„, которые преобразуют механические колебания в электрические. Электрический сигнал от преобразователей-приемников через коммутатор 3 поступает в импульсный приемник 6, где он

усиливается и подается на электронный ключ 9, который отпирается и пропускает от автогенератора 7 синусоидальный сигнал с частотой колебаний 11 кгц. Сигнал от автогенератора 7, пройдя электронный ключ 9, поступает в резонансный усилитель П, где он усиливается по напряжению и подается в модулятор 13. Промодулированный по поднесущей частоте модулятором 13 сигнал поступает в передатчик 14, который передает его через дуплексный фильтр 15 и антенну 8 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

где Т - общее время прохождения упругого

сигнала; /п - время прохождения ультразвуковых

колебаний через породный массив; ts - 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 А - ь -/2 - 2, /3 - 2з,..., In - 2п.

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 измерительном блоке подключена к выходу блока вычисления интервального времени, выполненного в виде двух параллельных систем, каждая из которых содержит автогенератор, электронный ключ и резонансный усилитель.

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 сигнала.

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

5.Устройство по пп. I, 4, отличающееся тем, что, с целью контроля за работой измерительной части и последовательности переключения преобразователей зонда, регистрирующая часть содержит контрольно-коммутационное устройство.