DE3524118A1 - Stationaeres tyndallometer fuer unter tage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feinstaubmessung nach der Streulichtmethode im untertägigen Berg- und Tunnel­ bau mit einer stationären Streulichtmeßkammer mit Signalaus­ gang und die Innenwand durch einen Reinluftstrom schützender Reinhaltevorrichtungen, sowie einer den Meßwert verarbeiten­ den Zentralanlage.

Die Streulichtmethode zur Feinstaubmessung wird im untertägigen Berg- und Tunnelbau eingesetzt, weil sie gegenüber der gravime­ trischen Methode den Vorteil hat, daß sie das Ergebnis sofort zur Verfügung stellt, auch als elektrisches Signal, das dann für Auswerte- und Regelungszwecke zur Verfügung steht. Derartige Vorrichtungen werden als Tyndallometer bezeichnet, die bisher fast ausschließlich als tragbare Geräte zur Verfügung stehen, von daher also nur zur überwachenden Messung des Feinstaubes. Es gibt aber auch bereits Versuche, ein derartiges Streulichtfotometer zu einem stationären Gerät umzufunktionieren, wobei zur Siche­ rung des Meßteils gegen Verschmutzung ein Reinluftstrom an der Innenwand der Meßkammer vorbeigeführt wird. Dadurch wird es möglich, die Wartung in größeren Zeitabschnitten durchzuführen, so daß ein derartiges stationäres Tyndallometer einen einiger­ maßen kontinuierlichen Betrieb ermöglicht. Die Daten eines solchen Gerätes sind dann über Kabel einer Zentralanlage zuge­ führt worden und zur Schaltung von Düsenanlagen zur Staubbe­ kämpfung eingesetzt worden. Die Versuchsergebnisse haben aller­ dings ergeben, daß eine solche Vorrichtung für Dauerbetriebe nicht geeignet ist, weil sie im Aufbau und in der Handhabung zu kompliziert und bezüglich der notwendigen Wartungen zu auf­ wendig ist. Insbesondere kommt es bei hoher Staubbelastung und bei Wassertropfenanfall zu erheblichen Schwierigkeiten, die ei­ ne häufige Wartung erfordern. Außerdem entsprechen die Signal­ ausgänge nicht der Bergbaunorm, so daß die Kopplung mit anderen Anlagen und Übertragungssystemen, wenn überhaupt, nur mit erheb­ lichem Aufwand möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein stationär und wartungsarm arbeitendes Staubmeßgerät zu schaffen, über das gleichzeitig Staubbekämpfungsmaßnahmen bzw. entsprechende An­ lagen gesteuert werden können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Streu­ lichtmeßkammer röhrenförmig bzw. halbröhrenförmig ausgebildet ist und korrespondierend angebrachte und dem Einlauf und dem Auslauf zugeordnete, parallel zur Innenwandung gerichtete Ring­ spaltdüsen bzw. Lochbleche aufweist, daß die der Streulichtmeß­ kammer zugeordneten Sendertubus und Empfängertubus über einen Primärlicht führenden Lichtleiter mit mechanischem Unterbrecher verbunden sind und daß dem Empfänger der Streulichtmeßkammer ein Vorverstärker zugeordnet ist, der über Kabel mit einem Hauptverstärker und einem Digitalteil mit Mikroprozessor ver­ bunden ist.

Eine derartige Vorrichtung ist vorteilhaft auf die Bergbaubedin­ gungen zugeschnitten und eignet sich bestens, sowohl die not­ wendigen Feinstaubmessungen für Überwachungsmaßnahmen wie auch für Steuerungsmaßnahmen durchzuführen. Dabei wird über den Digitalteil mit dem Mikroprozessor eine Aufbereitung der Signale ermöglicht, die sowohl eine einwandfreie und vielschichtige Steu­ erung von Staubbekämpfungseinrichtungen wie auch die Meßwert­ übertragung über große Entfernungen ohne weiteres sicherstellt. Die notwendige Nullpunktkontrolle und Kalibirierung ist verein­ facht, den besonderen Beanspruchungen unter Tage angepaßt und so ausgebildet, daß sie praktisch über den mechanischen Unter­ brecher fernbedient werden kann. Dadurch wiederum ist es möglich, den Elektronikteil in größerer Entfernung von der Meßkammer an­ zuordnen, was gerade für die beabsichtigten Steuerungen von Staubbekämpfungseinrichtungen von erheblichem Vorteil ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ringspaltdüsen einen der Geschwindigkeit des staubhal­ tigen Luftstroms kongruenten Reinluftstrom erzeugend ausgebildet sind. Dadurch ist sichergestellt, daß es im Bereich der Berüh­ rungsflächen beider Luftströme nicht zu Verwirbelungen und da­ mit zu falschen Ergebnissen kommt. Dadurch, daß zwei Ringspalt­ düsen vorgesehen sind, eine am Einlauf und eine am Auslauf der Meßkammer, kann genau die Menge an staubfreier Luft, die durch die erste Ringspaltdüse eingespeist wird über die zweite Ring­ spaltdüse wieder abgesaugt werden, so daß sich ein sehr stabi­ ler Reinluftmantel ergibt, der in seiner Wirkung sehr effektiv ist. Aufgrund dieses sehr stabilen Reinluftmantels kann eine Wartung im mehrwöchigen Abstand erfolgen, ohne daß sich an der Innenwand nennenswerte Staubablagerungen ergeben. Vorteilhaft ist weiter, daß für den Reinluftmantel nur geringe Luftmengen benötigt werden, weil durch die gezielte Ausbildung des Rein­ luftmantels auch bei den geringen Luftmengen eine ausreichende Stabilität gewährleistet ist.

Die für den Reinluftmantel benötigte Luftmenge wird vorteil­ haft zur Verfügung gestellt, indem der dem Einlauf zugeordne­ ten Ringspaltdüse ein kleinbauender, eigensicher ausgeführter Ventilator mit vorgeschaltetem Partikelfilter zugeschaltet ist. Letztlich kann dabei mit dem gleichen Aggregat Reinluft zuge­ führt und abgesaugt werden, so daß sowohl der Strombedarf wie auch der Platzbedarf für diese Einrichtung ausgesprochen gering ist.

Insbesondere dort, wo relativ hohe Windgeschwindigkeiten auftre­ ten, beispielsweise beim Einbau derartiger Vorrichtungen in ei­ ne Luttenleitung, ist es von Vorteil, wenn die Innenwandung der Streulichtmeßkammer als Lochblech ausgebildet ist, deren Löcher einen Luftaustritt so ermöglichen, daß sich ausströmende Luft asymtotisch an die durch die Meßkammer streichende staubhaltige Luft anlegt. Gerade bei den größeren Windgeschwindigkeiten ist dies von Vorteil, weil dann über die Länge der Innenwandung ge­ sehen an mehreren Stellen der Luftmantel durch neu eingeführte Reinluft stabilisiert wird. Die beschriebenen Meßkammern sind röhrenförmig ausgebildet, so daß sich gerade der beschriebene Reinluftmantel günstig ausbilden und erhalten läßt.

Ist ein großer Staubanfall zu erwarten, so kann es zweckmäßig sein, die Streulichtmeßkammer nach unten offen auszubilden, so daß die eintretende Sedimentation sich in der Meßkammer nicht negativ bemerkbar machen kann. Dennoch ist die Ablagerung durch Turbulenzen nicht zu vermeiden, so daß eine derartige Meßkam­ mer schneller verschmutzt als die röhrenförmig ausgebildeten. Allerdings ist sie einfacher zu warten, so daß sich gerade bei den beschriebenen extremen Bedingungen, d. h. bei sehr staubhal­ tiger Luft, ein Einsatz als zweckmäßig ergeben kann.

Durch Ablagerungen von Staub auf den optischen Bauteilen und an der Innenwandung verändern sich bekanntlich die optischen Eigen­ schaften des Systems, so steigt das Kammerrauschen an und die Durchlässigkeit der Linsen vor dem Sender und Empfänger verän­ dert sich. Bei der dann erforderlichen Reinigung der Meßkammer ergeben sich wiederum Änderungen, die die Einstellung des Gerä­ tenullpunktes erfordern. Dieses wird bei den routinemäßigen War­ tungen vorgenommen, wobei diese Arbeiten dadurch erleichtert wer­ den, daß erfindungsgemäß die der Streulichtkammer zugeordneten Sendertubus und Empfängertubus über einen Primärlicht führenden Lichtleiter mit mechanischem Unterbrecher verbunden sind, wobei der Lichtleiter ein Glaslichtleiter mit zugeordnetem mechani­ schem Unterbrecher ist. Diese Anordnung liefert eine konstante Anzeige auch bei Langzeitbetrieb und unterschiedlichen Tempera­ turen. Auftretende Abweichungen vom Sollwert können durch die Verwendung eines Glaslichtleiters erheblich reduziert werden, da diese gegen Temperaturschwankungen wenig empfindlich sind. Der Unterbrecher kann als mechanischer Drehschalter ausgelegt sein oder aber als ferngesteuerte Irisblende oder Kameraverschluß, so daß die Einstellung des Nullpunktes vorteilhaft vom in größe­ rer Entfernung zur Meßkammer angeordneten Elektronikteil aus vorgenommen werden kann.

Dieser Elektronikteil bzw. der Digitalteil ist über ein Kabel mit der Meßkammer verbunden, so daß der Signalaustausch unkom­ pliziert ist. Vorteilhafterweise sind die für den Digitalteil benötigten Einzelteile in modularer Bauweise ausgeführt, so daß die einzelnen Elektronikgruppen sogar im Austausch verwendet werden können. Dadurch, daß dem Digitalteil ein Mikroprozessor zugeordnet ist, ist es möglich, die Momentanwerte ohne weiteres sofort anzuzeigen oder sie zu Mittelwerten zu verarbeiten, die einerseits jederzeit abgerufen werden können, andererseits aber vorteilhaft eine Grundlage für die Steuerung von Anlagen zur Staubbekämpfung bilden können. Zweckmäßigerweise verfügt der Mikroprozessor hierzu über einen Analog-Digitalwandler und eine Digitalanzeige. Damit können die unterschiedlichsten Untersuchungen und Steuerungen vorgenommen werden, wobei es durch Zuordnung eines Tastenfeldes auch möglich ist, ge­ wünschte Parameter einzugeben, die dann die Meß- und Steuerungs­ abläufe beeinflussen und regeln.

Der technische Fortschritt der vorliegenden Erfindung ist ins­ besondere darin zu sehen, daß ein den besonderen Bedingungen des untertägigen Bergbaus vollständig angepaßtes stationäres Tyndallo­ meter geschaffen ist, das auch für längere Betriebszeiten ohne weiteres geeignet ist, da die Meßkammer praktisch wartungsfrei arbeitet. Die Meßkammer kann dabei unmittelbar beim Elektronik- bzw. Digitalteil oder aber in Entfernung dazu angeordnet sein, je nachdem, wie die untertägigen Gegebenheiten vorgefunden wer­ den. Die ermittelten Signale, d. h. Meßwerte, können als einzelne oder als addierte Mittelwerte zur Steuerung von Staubbekämpfungs­ einrichtungen oder auch anderen Anlagen verwendet werden.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des in Meßkammer und Signalübertragung geteilten Staubmeßgerätes,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Elektronik,

Fig. 3 eine Meßkammer im Schnitt, in zwei Ausbildungen,

Fig. 4 eine nach unten offene Meßkammer und

Fig. 5 die Kalibriervorrichtung in einer vereinfachten Prinzip­ skizze.

Das Staubmeßgerät 1 ist bei Fig. 1 durch einen einfachen Kasten wiedergegeben und mit TM stationär bezeichnet, d. h. als statio­ näres Tyndallometer wiedergegeben. Mit 2 ist der UF-Wandler und mit 3 die Fernübertragungsanlage bezeichnet. Damit ist die Über­ tragung des Meßwertes bei Ausgabe der Modulationsfrequenz bzw. bei Ausgabe des Analogwertes verdeutlicht.

Fig. 2 gibt das Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Elektronik wieder, wobei der Vorverstärker 4, wie angedeutet, dem Empfänger 26 des Staubmeßgerätes 1 zugeordnet ist. Dieser Vorverstärker 4 ist über ein Kabel 5 mit dem Hauptverstärker 6 verbunden, der Teil des in einiger Entfernung zur Meßkammer angeordneten Elek­ tronikteils ist. Der Hauptverstärker 6 seinerseits ist mit dem Digitalteil 7 und zugeordnetem Mikroprozessor 13 verbunden. Er weist Steuereingänge 11 und Datenausgänge 12 sowie den speziellen Signalausgang 8 auf, der getrennt dazu als Modul vorgesehen ist. Über den Signalausgang werden die Grenzwertgeber oder auch andere Bauteile angesteuert, und zwar in bergbaunormgerechter Form.

Die Stromversorgung erfolgt über das untertägige Grubennetz, wo­ bei die 0 bis 12 Volt und 0 bis 1 Ampere Stromversorgung mit 10 und die Spannungsanpassung mit 9 bezeichnet ist.

Die in Fig. 3 wiedergegebene Streulichtmeßkammer 15 ist röhren­ förmig ausgebildet und verfügt, wie üblich, über den Einlauf 16 und den Auslauf 17 für die staubhaltige Luft. Außerdem wird bei der im oberen Teil wiedergegebenen Ausbildung über die Ringspalt­ düsen 19 ein Reinluftstrom eingebracht, der gezielt an der Innen­ wandung 18 entlang geführt wird, um hier Ablagerungen von Staub zu vermeiden. Dieser Reinluftstrom wird dadurch stabilisiert, daß im Bereich des Auslaufes 17 eine zweite Ringspaltdüse 20 angeord­ net ist, über die die Reinluft wieder abgesaugt wird. Mittig der röhrenförmigen Streulichtmeßkammer 15 liegt die Meßzone 22, die gesondert markiert ist. Am unteren Bildrand ist eine zweite Aus­ bildungsmöglichkeit für die Reinhaltevorrichtung wiedergegeben. Hier ist parallel zur Innenwandung 18 ein Lochblech 23 vorgesehen, über die die von der Ringspaltdüse 19′ eingeführte Reinluft über die Länge gesehen an mehreren Stellen austritt, um so den stabilen Reinluftmantel zu erzeugen. Diese Ausbildung ist insbesondere für hohe Wettergeschwindigkeiten vorgesehen und geeignet.

Fig. 4 zeigt eine nach unten offen ausgebildete Streulicht­ meßkammer 15, wobei der Sender mit 25 und der Empfänger mit 26 bezeichnet sind, die Lichtfallen mit 27 am unteren Ende der Streulichtmeßkammer 15.

Die vereinfachte Kalibirierung wird anhand der Fig. 5 verdeut­ licht. Hier ist gezeigt, daß über den Lichtleiter 30 Primärlicht aus dem Sendertubus 29 entnommen und über einen mechanischen Unterbrecher 31 in den Empfängertubus 32 geführt ist. Diese An­ ordnung erbringt konstante Anzeigen auch bei Langzeitversuchen und starken Temperaturänderungen, beispielsweise zwischen 0 und 40°C. Hier haben sich Abweichungen von weniger als 10% vom Sollwert ergeben. Die Abweichungen sind noch geringer, wenn als Lichtleiter 30 ein Glaslichtleiter verwendet wird. Die ge­ samte Vorrichtung 29, 30, 31, 32 ist mit der Streulichtmeßkam­ mer 15 fest verbunden. Die Lichtleiter 30 sind gegen Positions­ änderungen durch Erschütterungen oder Vibrationen gesichert. Der mechanische Unterbrecher 31 ist hier als mechanischer Drehschalter ausgelegt. Es ist auch möglich, ferngesteuerte Irisblenden oder einen Kameraverschluß einzusetzen, insbeson­ dere dann, wenn der Elektronikteil in einer größeren Entfer­ nung von der Streulichtmeßkammer 15 aufgebaut ist.

•  1 Staubmeßgerät
   2 UF-Wandler
   3 Fernübertragungsanlage
   4 Vorverstärker
   5 Kabel
   6 Hauptverstärker
   7 Digitalteil
   8 Signalausgang
   9 Spannungsanpassung
  10 Stromversorgung
  11 Steuereinlauf
  12 Datenausgang
  13 Mikroprozessor
  15 Streulichtmeßkammer
  16 Einlauf - staubh. Luft
  17 Auslauf
  18 Innenwandung
  19 Ringspaltdüse
  20 Ringspaltdüse
  22 Meßzone
  23 Lochblech
  25 Sender Licht
  26 Empfänger Licht
  27 Lichtfalle
  29 Sendertubus
  30 Lichtleiter
  31 Unterbrecher
  32 Empfängertubus

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Feinstaubmessung nach der Streulichtmetho­ de im untertägigen Berg- und Tunnelbau, mit einer statio­ nären Streulichtmeßkammer mit Signalausgang und die Innen­ wand durch einen Reinluftstrom schützender Reinhalteein­ richtung, sowie einer den Meßwert verarbeitenden Zentral­ anlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtmeßkam­ mer (15) röhrenförmig bzw. halbröhrenförmig ausgebildet ist und korrespondierend angebracht und dem Einlauf (16) und dem Auslauf (17) zugeordnete, parallel zur Innenwan­ dung (18) gerichtete Ringspaltdüsen bzw. Lochbleche (19, 20, 23) aufweist, daß die der Streulichtmeßkammer zugeord­ neten Sendertubus (29) und Empfängertubus (32) über einen primärlichtführenden Lichtleiter (30) mit mechanischem Un­ terbrecher (31) verbunden sind und daß dem Empfänger (26) der Streulichtmeßkammer ein Vorverstärker (4) zugeordnet ist, der über Kabel (5) mit einem Hauptverstärker (6) und einem Digitalteil (7) mit Mikroprozessor (13) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringspaltdüsen (19, 20) einen der Geschwindigkeit des staubhaltigen Luftstroms kongruenten Reinluftstrom erzeu­ gend ausgebildet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Einlauf (16) zugeordneten Ringspaltdüse (19) ein kleinbauender, eigensicher ausgeführter Ventilator mit vorgeschaltetem Partikelfilter zugeschaltet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung (18) der Streulichtmeßkammer (15) als Lochblech (23) ausgebildet ist, deren Löcher einen Luft­ austritt unter 45° ermöglichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Streulichtmeßkammer (15) nach unten offen ausgebil­ det ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (30) ein Glaslichtleiter mit zugeordnetem mechanischem Unterbrecher ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroprozessor (13) über einen Analog-Digitalwandler und eine Digitalanzeige verfügt.