Датчик контроля скрытой границы породы-уголь Советский патент 1981 года по МПК E21C35/24 

(ЗА)ДАТЧИК КОНТРОЛЯ СКРЫТОЙ ГРАНИЦЫ ПОРОДА-УГОЛЬ

Изобретение относится к автомати зации технологических процессов в горной промышленности, точнее к основным элементам систем автоматичес кого управления, положением .угледобываювшх машин в профиле угольного пласта. Известны датчики контроля скрыто границы порода-уголь, приницип действия которых основан на регистр Ц1Ш обратно рассеянного гамма-излучения искусственного изотопа ij. Однако применение изотопов в условиях очистного забоя создает оп деленные ограничения .в использовании указанных устройств, связанные с необходимостью обеспечения биолог ческой защиты от действия ядерного излучения. . Указанный недостаток устранен в датчике контроля скрытой границы порода-уголь, основанном на регистрации естественного гамма-излучения угля и вмещающих пород и на отличии ПЛОТНОСТИ потока регистрируемого гамма-излучения от угля .и от породы. Датчик включает сциитиллятор,сочлененный с фотоумножителей, которые .помещены в защитный кожух с коллимационным отверстием, обращенным к контролируемой поверхности. Это устройство является наиболее близким кнастоящему изобретению по технической сущности. Недостатком известного устройства является влияние колебаний возД5га1иого зазора между датчиком и контролируемой поверхностью на ПО7 казания датчика, что привело к необходииостй предусматривать в известном устройстве дополнительный ультразвуковой датчюс для определения величины воздушсого зазора. Целью настояцего изобретения является повышение точности измерения, за счет компенсации влияния колебаний воздушного зазора и расщирения диапазона нэмерений. Поставленная цель достигается тем, что коллимационное отверстие выполнено в виде усеченного конуса, .а сцинтиллятор установлен соосно на меньшем основании конуса,диаметр которого равен диаметру сцннтшшятора при этом апертура конуса и диаметр сцинтнгшятора выбраны из следующих условий e toa-o,6)ei i.,4., где (3 - Диаметр меньшего основания конуса; 3-1 - диаметр сцинтиллятора; В -. диаметр большего основа-,,., ния конуса; - полуразность диаметров ос нований коллиационного отверстия;&2. толщина кожуха на стороне коллимационного отверстия. На фиг. 1 схематически показан да чик контроля скрытой границы породауголь в случае, когда устройством контролируется толщина Ь уг угольной пачки, оставляемой в кровле вынимаемого пласта; на фиг. 2 приведены экспериментальные зависююсти показаний датчика от величины воздушного зазора (fi 9) при толщине угольной пачки (4iyr) 0,50 и 150 мм для 0,2 t и а-1-5,7е51-е-, на Фиг. 3 приведены экспериментальные зависимо ти показаний датчика скорости счета. от воздушного за$ора .0) при сле дующих соотношениях для апертуры конуса и диаметра сцинтияпятора, крива t - при г -0; «я:, -380Q; кривая П - при в 0 , ; кривая Ш - приб -0, H(3li«,26jt , кривая 1У-при Zi Э,7б2 и с1 8, ; кривая У - для 0 -0,2702 и d., -5,7е,-Ц . Датчик представляет собой детектор гамма-излучения, состоящий из сцинтиллятора I, сочлененного при помо световода 2 с фотоэлектронньм умнозштелем 3. Детектор гамма-излуче ния помещен в защитный кожух 4, имеющий коллимационное отверстие с угловой апертурой Д . Коллимационное от верстие с большим диаметром j| и меньшим диаметром равньм диаметру сцинтиллятора Д , случае контроля границы порода-уголь в кровле или почве вынимаемого пласта угля обращено соответственно в кровле или почве. Толщина кожуха на стороне коллимационного отверстия равна CQ, Работа датчнка контроля скрытой границы порода-уголь основана на том, что естественная радиоактивность вмещающих пород, превосходит естестве{ ную радиоактивность углей. Рассмотрим работу устройства,показанного на фиг.1, Регистрируемая детектором интенсивность состоит из пяти основньрс составляющих:,р, .Зцр.цол. пррасс Знат.Р«сс- Интенсивность О ПР. обусловлена прямыми гамма-квантами, попадающими в сцинтнллятор из объема породы кровли, ограниченного предела прямой видимости тени -коллимационного отверстия с апертурой cL : пути этих гамма-квантов (а)показаны на фиг. 1 сплошными линиями со стрелками. Интенсив-, ностьГ7||Д fj0 обусловлена прямыми гамма-квантами, попадающими в сцинтиллятор из объема породы кровли, ограниченного пределами полутени коллимационного отверстия с апертурой ()j. пути этих гамма-квантов (б) показаны на фиг. I сплошмьмн линнями со стрелками. Интенсивность обусловлена гамма-квантами, попадающими в сцинтнллятор нз объема породы кровли, ограниченного пределами прямой видимости коллимационного отверстия с апертурой oL , и рассеянными на поверхности стенок или в объеме Ьтенок коллимационного отверстия; пути этих гамма-квантов ,{соответственно (с) н (61) показаны на фиг. i пунктирными линиями со стрелками Интенсивность Зщдт, обуст1бш1ёна гамма-квантами, попадающими в сцинтиллятор из ||бъема породы кровли, лежащего за П рёделами тени, которые прошли через стенки коллимационного отверстия без рассеяння: пути этих гамма-квантов(в показаны на фиг. 1 штрнх-пунктирнюш линнями со стрелками (кванты натекания). Интенсивность13ц р1ди.,обуслрвлена гаммаквантами, попадающими в сцинтиллятор из объема пороЩ) кровли, лежащего за пределами Тени, и которые ;1рошли через стенки коллимационного отверстия, притерпев хотя бы один акт рассеивания; пути этих гамма-квантов({) показаны на фиг. 1 штрих-пунктирными линиями со стрелками (кванты нате кания рассеянны. Составляющне интен- 5.8 JCHBHOCTH, обусловленные гамма-кванта ми из других направлений OTcytctвуют, так как сцинтиллятор помещен в защитный кожух. Каждая из составляющих регистрируемой датчиком интен .сианости С.1ОЖНЫМ образом зависит от вепичи1Ш воздушного зазора между плоскостью коллимационного отверстия и контролируемой поверхностью. Это обусловлено следуюощми причинами:вопервых, с ростом Ь. объем теии и полутени и растет количество гамма-квантов« излучаемых тими объемами; во-вторых, с ростом . растет среднее расстояние от места воэникноваяия гамма-квантов до сцинт лятора; в третьих, с ростом 4ig изменяются углы падения гамма-квантов на сцинтиплятор и, следовательно, регистрируемая детектором интенсивность. Каждая из составлякицих интенсивности падает с ростом толщины угольной пачки угл. как при прохождении через слой угля гамма-кванты поглощаются, рассеиваются.При уве личении . увеличивается число гамма-квантов, приходящих в сцинтилл тор из пачки угля. Но так как естест венная радиоактивность угля значител но ниже, чем породы, то рост числа последних приводит лишь к уменьшению чувствительности к угольной пачке, но не компенсирует уменьшения Излучаемых породой гамма-квантов. Анализ зависимостей каждой из пят составляющих интенсивности от возд5па ногр зазора.о„ позволил установить, что зависимость суммарной регистрируемой датчиком интенсивности от , может быть монотонно падающей, монотонно возрастающей и инверсионной. При малых апертурах «L и Я зависимость: сумиГ П.. Ре«ьс.Ч сгг. нвгт. (8.) будет монотонно падающей(с ростом а. монотонно уменьшается оумил.) При больших апертурах d. и Р с ростом воздушного зазора в заданных условиями работы датчика пределах, величинаЭ.; будет монотонно увеличиваться. При средних значениях е, и fi на зависимости JCVMM.( Bj)наблюдается инверсия: сначала с ростом . от ц „доЛ1 в CV. интенси .ность растет, затем при изменениях 1t.j вблизиЬ д j-p. интенсивность 2 практически не изменяетсяf и, наконец, при дальнейшем увеличении hg B jtrvM. интенсивность падает. При средних значениях оС и величина прироста интенсив нос тиДЭ су . изменения liggв пределахЪ „ц„-1,рд будет меньше аналогичных коллимационного отверстия. На основании установленных : зависимостей от регистрируемой детектором интенсивности методика оптимизации датчика контроля скрытой границы порода-уголь может быть следующей.В зависимости от типоразмера датчика по быстродействию выбирают площадь сциитиллятора (при увеличении площади пропорциоиальио увеличивается скорость счета импульсов с детектора и, следовательно, увеличивается быстродействие). Затем сцинтиллятор с фотоумножителем помещают в защитный кожух, с коллимационным отверстием, умеющим угловую апертуру ip. 3 зависимости от требуемого типораз мера датчика по диапазону изменеиия воздушного зазора устанавливают значения.. . и1lJ5,.Дaтчнк располагают Wmn e i на расстоянии от контролируемой поверхности (при. среднем значении толщины пачки угляХ Изменяя величину воздушного зазора в 1обе стороны .p определяют характер изменения сигнала с датчика. При этом возможны три случая: I) при изменениях 1ij в обе стороны от ,сигнял уменьтак-кя; 2 при умеиьгаении от рсигнал уменьшается, а при увеличении - увеличивается; 3) при уменьшении fjg оTtj0n,(.p сигнал увеличивается, а при увеличеши уменьшается. Если имеет место случай то величина ct и является оптималь;иой, Если imeeT место случай 2, to необходимо уменьшить -, и снова определить характ зависимости сигнала отtiij. Если имеет место случай 3, то необходимо увеличить dL и снова определить характер зависимости сигнала от/Ь . Последовательными изменениями угловой добиваются такого положения, когда при изменениях t) в обе стороны от среднего значения сигнал изменяется в одиу и туже сторонуу имеет место случай I. На этом процесс оптимизации заявляемого датчика контроля скрытой границы породаУГоль заканчивается. - Теперь по изменениям регистрируемого детектором потока гамма излучениясудят о расстоянии от датчика до контролируемой поверхности. Соотношение между величиной иэмеиения сигнала с датчика и степеньк изменения расстояния от контролируемой поверхности определяют в процессе градуировки датчика. Использование датчика позволит повысить точность измерений за счет компенсации влияния колебаний воздуш ного зазора и расширения диапазона измерений-. Реализация устройства для контрол скрытой границы порода-уголь в систе ме автоматического вождения угледобывающих машин по гипсометрии плай та позволит получить экономический эффект в размере 50 тыс.руб. в год на один автоматизированный комбайн. Формула изобретения Датчик контроля скрытой границы порода-уголь основанный на различии естественной радиоа;ктивности угл и породы, содержащий сциитиллятор и сочлененный с ним фотоумножитель,раз мещенные в защитном кожухе с коллима ционным отверстием, обращенным к кон ролируемой поверхности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения за счет компенсации влияния колебаний воздушного зазора и расширения диапаjptta {{змеренйй коллимационное от- верстие выполнено в виде усеченного коиуса, а сциитшшятор установлен соосно на нетьшен основании конуса,диаметр д| которого {хавен диаметру сцинтиошвтора, при этом апертура конуса и диаметр с1М1Итиллятора выбраю 3 следующих условий: e,e(aa-0,)«st; .5«а-е5,4Д,48,4еа-е | где с) - диаметр меиьаего основания конуса; d)- шаметр сцинтшшятора; D - да|амв.т| большего основания , Й1 R, полуразность диаметров оснований коллимационного отверстия; tn- толп(ина кожуха на стороне коллимационного отверстия. Источники информации, принятые Во внимаиие при экспертизе 1.Патент ФРГ 2332169, кл. Е 21 С 35/08, опублик.197А. 2.Патент Великобритании № 1526028, кл. Е IF, опублик. 1978.

sS

«

4

%

220