Датчик предупредительной сигнализации
Изобретение относится к датчику предупредительной сигнализации для использования в подземных горных выработках. Техническим результатом является создание датчика, который может использоваться на резонансной частоте, следовательно, при максимально возможной громкости звукового сигнала, и который обеспечивает возможность передачи системе управления переносного разборного каркаса крепи сигнал подтверждения об успешной выдаче предупредительного звукового сигнала. Для этого датчик содержит пьезоэлектрический формирователь звукового сигнала с двумя входными контактами для подачи питающего напряжения определенной частоты и схемную компоновку, соединенную с источником питания для выработки питающего напряжения. При этом пьезоэлектрический формирователь звукового сигнала имеет дополнительный выходной контакт, который при подаче на формирователь звукового сигнала питающего напряжения от схемной компоновки вырабатывает ответный сигнал напряжения, который является значением, соответствующим силе звука датчика предупредительной сигнализации. 11 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к датчику предупредительной сигнализации, в особенности, для, использования в подземных горных выработках, с пьезоэлектрическим элементом формирования звукового сигнала с двумя входными выводами для приложения напряжения питания определенной частоты и со схемной компоновкой для выработки напряжения питания, подсоединенной к источнику питания.
Используемые в подземных горных выработках переносные разборные каркасы крепи в ходе выемки добываемого сырья, например угля, регулярным образом выбивают, перемещают в направлении фронта выработки и затем вновь устанавливают. При реализации этого процесса важно, чтобы горняки не находились в опасной зоне, поэтому предпринимаются различные меры по обеспечению безопасности для того, чтобы не причинить никому ущерба во время выбойки, перемещения и установки одного или более переносных разборных каркасов крепи.
Одним из этих средств обеспечения безопасности, которые распределены по всем перемещаемым разборным каркасам крепи и которые связаны с системой управления проходкой и приводятся ею в действие, являются датчики предупредительной сигнализации, которые приводятся в действие с началом выбойки и вырабатывают достаточно длинный и громкий предупредительный звуковой сигнал, чтобы непосредственно перед процессом выбойки оповестить горняков, которые находятся вблизи от перемещаемого разборного каркаса крепи, о грозящей в результате этого опасности.
Известные датчики предупредительной сигнализации, которые применяются для вышеуказанной цели, имеют пьезоэлектрический элемент (сирену) для генерации звукового сигнала с двумя выводами, на который подается напряжение питания, причем напряжение питания имеет частоту, которая соответствует частоте вырабатываемых сиреной звуковых сигналов. Так как при использовании такого датчика предупредительной сигнализации должен вырабатываться по возможности громкий предупредительный сигнал, то стремятся к тому, чтобы привести частоту напряжения питания в соответствие с резонансной частотой элемента генерации звукового сигнала в его смонтированном состоянии, так как в резонансном режиме достижимая громкость звука датчика предупредительной сигнализации является максимально возможной.
Цель, состоящая в том, чтобы известные датчики предупредительной сигнализации использовать на резонансной частоте, оказалась на практике труднодостижимой. Так как не только то, что все пьезоэлектрические формирователи звукового сигнала по своей резонансной частоте, отличаются в некоторой степени друг от друга, но и то, что резонансные частоты формирователя звукового сигнала в смонтированном состоянии зависят еще и от условий монтажа, например от момента затяжки винтовых креплений и т.п., а также то, что окружающее пространство размещения датчика предупредительной сигнализации оказывает на резонансную частоту влияние, которое нельзя недооценивать, то громкость звучания, с которой известные датчики предупредительной сигнализации вырабатывают свой предупредительный звуковой сигнал, в общем случае меньше, чем это было бы возможно теоретически. Еще одним недостатком известных датчиков предупредительной сигнализации является то, что система управления возведением перемещаемого разборного каркаса крепи не имеет никакой возможности установить, действительно ли сиреной был выработан предупредительный звуковой сигнал.
Задача изобретения состоит в том, чтобы создать датчик предупредительной сигнализации вышеупомянутого типа, который может использоваться на резонансной частоте, следовательно, при максимально возможной громкости звукового сигнала, и который обеспечивает возможность передачи системе управления переносного разборного каркаса крепи сигнала подтверждения об успешной выдаче предупредительного звукового сигнала.
В соответствии с изобретением эта задача решается тем, что пьезоэлектрический формирователь звукового сигнала имеет выходной контакт, на котором при подаче на формирователь звукового сигнала питающего напряжения вырабатывается ответный сигнал напряжения, подаваемый на схемную компоновку и являющийся значением, соответствующим громкости звукового сигнала (силе звука) датчика предупредительной сигнализации.
С помощью третьего контакта, предусмотренного в формирователе звукового сигнала, можно генерировать действительный (номинальный) сигнал, с помощью которого можно легко калибровать схемную компоновку таким образом, чтобы вырабатываемое ею напряжение питания имело частоту, которая соответствует резонансной частоте датчика предупредительной сигнализации. Изобретение с выгодой использует то, что приложенный к выходному контакту ответный сигнал напряжения, который индуцируется вследствие колебательного движения пьезоэлектрического формирователя звукового сигнала и который в соответствии с этим имеет частоту, соответствующую частоте колебаний пьезоэлемента и, следовательно, частоте питающего напряжения, будет принимать максимальное значение напряжения, если сирена приводится в действие в резонансной области. Для калибровки датчика предупредительной сигнализации, таким образом, необходимо только варьировать частоту питающего напряжения и одновременно контролировать ответный сигнал напряжения и устанавливать частоту питающего напряжения на значение, при котором напряжение, обеспечиваемое ответным сигналом, является максимальным. Такое измерение и калибровка могут проводиться достаточно просто. Ответный сигнал напряжения вырабатывается в любом случае, когда пьезоэлемент действительно колеблется и тем самым генерирует предупредительный сигнал; отсутствие ответного сигнала тем самым означает, что датчик предупредительной сигнализации не выработал предусмотренный предупредительный сигнал, и команда для перемещения переносного разборного каркаса крепи не выдается.
Особенно предпочтительно, если схемная компоновка имеет устройство автоматической калибровки частоты питающего напряжения; таким образом, схемная компоновка сама определяет частоту, при которой выходной сигнал напряжения максимален. Подобная автоматическая калибровка может осуществляться посредством сравнительных измерений, причем оказалось особенно целесообразным осуществлять работу устройства автоматической калибровки по принципу последовательной аппроксимации. При таком способе работы требуемая память буферного запоминающего устройства результатов измерений будет сравнительно мало загружена, и реализуется быстрая и очень точная калибровка.
Схема может иметь частотный генератор для генерации и изменения частоты питающего напряжения. Формирователь звуковых сигналов расположен предпочтительно в цилиндрическом корпусе сирены и зафиксирован при помощи стопорного элемента, который может представлять собой, например, винтовую вставку. Также можно использовать в качестве стопорного элемента кольцо круглого сечения или пружинное стопорное кольцо. Монтаж формирователя звуковых сигналов в корпусе сирены со стопорным элементом обеспечивается и в серийном производстве быстро и надежно.
Формирователь звуковых сигналов предпочтительно имеет несущую пластину с расположенной на ней пьезоэлектрической мембраной соответственно с размещенным на ней обратным считывающим выводом, к которому присоединен выходной контакт.
Обратный считывающий вывод колеблется вместе с пьезоэлектрической мембраной, когда на нее подается питающее напряжение определенной частоты. Вследствие их колебаний с помощью обратного считывающего вывода на выходном контакте формируется напряжение, частота которого соответствует частоте колебания мембраны, и которое изменяет свою величину с изменением амплитуды мембраны и, следовательно, громкости сирены.
Схемная компоновка может иметь электронное средство регулирования в виде микроконтроллера, который имеет выходы для сигнала питающего напряжения, а также входы для подводимого напряжения и для ответного сигнала. Схемная компоновка может, кроме того, иметь включенное между электронным средством регулирования и выходным контактом выпрямительное устройство, которое выпрямляет ответный сигнал напряжения так, чтобы его можно было легко обработать в электронном средстве регулирования. Сигналы питающего напряжения с электронного средства регулирования могут усиливаться с помощью схем усиления перед их подачей на входы-выходы, так чтобы само электронное средство регулирования имело малую потребляемую мощность.
Формирователь звукового сигнала и схемная компоновка могут располагаться в общем корпусе сирены, который затем после его монтажа в предусмотренном месте в перемещаемом разборном каркасе крепи или в ином подобном средстве должен быть еще подключен к источнику электропитания и контакту для включения сирены.
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения поясняются в последующем описании со ссылками на чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант осуществления изобретения, где представлено следующее:
Фиг. 1 - вид в продольном разрезе датчика предупредительной сигнализации, соответствующего настоящему изобретению, в смонтированном состоянии;
Фиг.2 - схематичное представление пьезоэлектрического формирователя звукового сигнала, предназначенного для использования в датчике предупредительной сигнализации, соответствующем изобретению, и связанной с ним схемной компоновки; и
Фиг.3 - функциональная схема схемной компоновки для датчика предупредительной сигнализации, соответствующего изобретению.
На фиг.1 представлен датчик предупредительной сигнализации 10, используемый в перемещаемых разборных каркасах крепи (не показаны) в подземной горной выработке, предназначенный для предупреждения горняков перед процессом выбойки, перемещения и повторной установки каркаса крепи звуковым сигналом максимальной громкости.
Датчик предупредительной сигнализации 10, который изображен на Фиг.1 в смонтированном состоянии в стенке 11 корпуса, состоит в основном из пьезоэлектрического формирователя 12 звукового сигнала и связанной с ним соединительным кабелем 13 схемной компоновки 14, причем схемная компоновка 14 и формирователь 12 звукового сигнала расположены в общем корпусе 15 сирены.
Корпус 15 сирены изготовлен из пластика и имеет форму чаши или стакана. По наружной окружности он снабжен винтовой нарезкой 16, посредством которой он ввинчен в соответствующее монтажное отверстие в стенке 11 корпуса. Передний буртик 17 в корпусе сирены ограничивает глубину ввинчивания в приемное монтажное отверстие и обеспечивает определенное положение устройства в стенке 11 корпуса.
На своей передней стороне 18 корпус сирены закрыт монтажной платой 20, снабженной звуковыми каналами 19. На внутренней стороне пластины 20 находится тонкое распорное (промежуточное) кольцо 21 из резины, например кольцо круглого сечения, к которому прилегает формирователь 12 звукового сигнала. Для фиксации формирователя звукового сигнала в его установленном положении предусмотрена винтовая вставка 22, ввинчиваемая с обратной стороны в корпус 15 сирены; причем формирователь 12 звукового сигнала зажимается между передним торцом 23 винтовой вставки и распорным кольцом 21.
Схемная компоновка 14 полностью расположена на круговой пластине 22, которая вставлена в заднюю, цилиндрическую выемку 25 в винтовой вставке 22 и зафиксирована в ней посредством отверждаемого заливочного компаунда 26.
Пьезоэлектрический формирователь 12 звукового сигнала и схемная компоновка 14 схематично изображены на Фиг.2 в горизонтальной проекции. Формирователь 12 звукового сигнала состоит из круговой несущей пластины 27 из латуни, на которой размещена пьезоэлектрическая мембрана 28. Несущая пластина 27 и мембрана 28 должны иметь соответствующие входные контакты 29 и 30, через которые на формирователь 12 звукового сигнала по проводам 31, 32 подается питающее напряжение от схемной компоновки 14. Пьезоэлектрическая мембрана 28 снабжена размещенным на ней обратным считывающим выводом 33, имеющим выходной контакт 34, который соединен проводом 35 со схемной компоновкой.
Функциональная схема устройства, показанного на фиг.2, схематично представлена на Фиг.3.
Схемная компоновка 14 имеет в качестве центрального компонента электронное средство 36 регулирования в виде микроконтроллера, который включен между регулятором 37 напряжения для подводимого напряжения и двумя операционными усилителями 38, посредством которых выходной сигнал электронного средства регулирования усиливается и подается в качестве питающего напряжения по проводам 31, 32 на входные контакты 29, 30 в формирователе 12 звукового сигнала.
Между выходным контактом 34 и микроконтроллером 36 предусмотрена выпрямительная схема 39, которая выпрямляет сигнал выходного напряжения, подаваемый на выходной контакт 34 при включении сирены, и в этой обработанной форме подает его в виде действительного значения на микроконтроллер.
Принцип действия сирены описан ниже.
На формирователь 12 звукового сигнала подается через его входные контакты 29, 30 питающее напряжение от микроконтроллера, снабжаемого подводимым напряжением, после усиления в операционных усилителях 38, имеющее частоту, которая перед первой калибровкой сирены при определенных обстоятельствах может значительно отличаться от резонансной частоты. Пьезоэлектрическая мембрана 28 приводится в колебания питающим напряжением, причем ее частота колебаний соответствует частоте питающего напряжения. Также совместно с мембраной колеблется обратный считывающий вывод 33 с той же частотой питающего напряжения. Тем самым он генерирует на выходном контакте 34 ответный сигнал напряжения, который имеет ту же самую частоту, что и частота питающего напряжения, причем амплитуда ответного сигнала характеризует силу звука сирены и в соответствии с этим достигает максимального значения в том случае, когда сирена приводится в действие на ее резонансной частоте, при которой она имеет максимальную громкость.
Этот ответный сигнал напряжения выпрямляется в выпрямительной схеме 39, а затем подается на микроконтроллер 36. Он представляет собой прежде всего подтверждение того, что сирена действительно была приведена в действие, что тем самым были предупреждены горняки, находящиеся в окрестности перемещаемого разборного каркаса крепи, прежде чем была произведена его выбойка, перемещение и повторная установка. Ответный сигнал напряжения может также предназначаться для калибровки сирены, причем процесс калибровки может инициироваться в предпочтительном варианте выполнения микроконтроллером с регулярными временными интервалами, задаваемыми предварительно, или вручную.
Для калибровки, целью которой является установка питающего напряжения на входных контактах 29, 30 на резонансной частоте датчика предупредительной сигнализации, сирена используется по принципу последовательной аппроксимации, с питающими напряжениями различных частот, и для каждой частоты питающего напряжения определяется величина ответного сигнала. При этом микроконтроллер вырабатывает сначала питающее напряжение с определенной начальной частотой f1 и определяет соответствующий этому ответный сигнал а1. Затем вырабатывается звуковой сигнал с более высокими и более низкими частотами. Таким образом, производится тестирование систематическим образом относительно начального значения и при последующих измерениях определяется, имеет ли ответный сигнал более высокое значение. Если это имеет место, то выполняются последующие измерения вокруг этого нового центрального значения, причем величины шагов отдельных измерений постоянно уменьшаются. Тем самым микроконтроллер автоматически настраивает частоту питающего напряжения на значение, при котором ответный сигнал является наибольшим. Это значение, которое по существу соответствует мгновенной резонансной частоте датчика предупредительной сигнализации, после окончания процесса калибровки запоминается в микроконтроллере и служит, вплоть до следующей калибровки, в качестве заданной величины для частоты питающего напряжения.
С использованием сирены, соответствующей настоящему изобретению, достигается уже при сравнительно низком подводимом напряжении 12 В и незначительном потреблении тока, значительная сила звука сирены порядка 95 дБ, так как датчик предупредительной сигнализации используется особенно простым и точным способом в области его резонансной частоты, при которой он имеет максимальную громкость. За счет ответного сигнала напряжения система управления перемещением разборного каркаса крепи всегда получает подтверждение того, что звуковой сигнал сирены действительно был выработан, прежде чем инициировать процесс выбойки с пошаговым перемещением. Таким образом, новый датчик предупредительной сигнализации значительно повышает безопасность горняков, работающих в подземных выработках.
1. Датчик предупредительной сигнализации, преимущественно для использования в подземных горных выработках, с пьезоэлектрическим формирователем звукового сигнала с двумя входными контактами для подачи питающего напряжения определенной частоты и со схемной компоновкой, соединенной с источником питания для выработки питающего напряжения, отличающийся тем, что пьезоэлектрический формирователь звукового сигнала (12) имеет дополнительный выходной контакт (34), который при подаче на формирователь звукового сигнала (12) питающего напряжения от схемной компоновки (14) вырабатывает ответный сигнал напряжения, который является значением, соответствующим силе звука датчика предупредительной сигнализации (10).
2. Датчик предупредительной сигнализации по п.1, отличающийся тем, что схемная компоновка (14) имеет устройство автоматической калибровки частоты питающего напряжения.
3. Датчик предупредительной сигнализации по п.2, отличающийся тем, что устройство автоматической калибровки активизируется по истечении определенного времени.
4. Датчик предупредительной сигнализации по п.2, отличающийся тем, что устройство автоматической калибровки активизируется внешним сигналом.
5. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что схемная компоновка (14) имеет частотный генератор (36) для генерирования и изменения частоты питающего напряжения.
6. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что формирователь звукового сигнала (12) расположен предпочтительно в цилиндрическом корпусе сирены (15) и зафиксирован посредством стопорного элемента (22).
7. Датчик предупредительной сигнализации по п.4, отличающийся тем, что стопорный элемент (22) состоит из винтовой вставки, кольца круглого сечения, пружинного стопорного кольца или иного подобного средства.
8. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что формирователь звукового сигнала (12) имеет несущий элемент (27) с размещенной на нем пьезоэлектрической мембраной (28), на которой размещен обратный считывающий вывод (33), с которым соединен выходной контакт (34).
9. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что схемная компоновка (14) имеет электронное средство регулирования (36) в виде микроконтроллера, который имеет выходы для сигналов питающего напряжения и входы для подводимого напряжения, а также для ответного сигнала.
10. Датчик предупредительной сигнализации по п.9, отличающийся тем, что схемная компоновка (14) имеет выпрямительную схему (39), включенную между электронным средством регулирования (36) и выходным выводом.
11. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что сигналы питающего напряжения с электронного средства регулирования перед их подачей на входы-выходы усиливаются посредством схем усиления (38).
12. Датчик предупредительной сигнализации по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что формирователь звукового сигнала (12) и схемная компоновка (14) размещены в общем корпусе сирены.
