ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КАБЕЛЬ
MEASUREMENT CABLE

Настоящее изобретение относится к измерительному кабелю для гидростатического определения высот при подземной разработке.
Системы щитовой крепи при подземной разработке могут выполнять частично или полностью автоматизированные движения. Для этого, а также вообще с целью контроля состояния системы, в частности дистанционного, требуется точно знать положение системы щитовой крепи вдоль забоя. Наряду с измерением углов наклона, в частности, важным является знание точной высоты разных частей системы щитовой крепи. Путем измерения высоты на разных участках системы щитовой крепи могут определяться относительные расстояния. Например, по разнице высоты между перекрытием и опорной лыжей может определяться высота отдельных щитов, а по ней, в свою очередь, высота забоя в этом месте. По нескольким измерениям вдоль забоя может, кроме того, определяться точный профиль высоты системы щитовой крепи или, соответственно, забоя.
Для измерения разностей высоты известны гибкие гидроуровни, у которых определяется относительная высота одного конца наполненного жидкостью шланга относительно другого конца этого шланга по разнице давлений жидкости в этих двух концах. С помощью таких гидроуровней можно на дистанциях, равных нескольким метрам, измерять разницу высоты между двумя положениями измерения с точностью в миллиметровом диапазоне. Если необходимо одновременно определить несколько точек измерения, давление жидкости в шланге может одновременно измеряться в большем количестве мест, чем только на концах шланга. В принципе таким образом реализуемы очень длинные гидроуровни, с помощью которых на дискретных расстояниях может определяться профиль высоты по всей длине шланга.
Трудности возникают при сооружении такой системы и, в частности, при адаптации к различным формам и длинам. Так, сначала должен быть проложен шланг и установлены разные датчики давления в соответствующих положениях. Затем шланг целиком должен быть заполнен жидкостью и одновременно из него должен быть удален воздух. Это требует, в частности, дополнительных насосов для наполнения гидроуровня жидкостью и для поддержания основного давления. Именно в подземной разработке имеющееся пространство, как правило, очень ограничено.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства для гидростатического определения высот в подземной разработке, которое является простым, компактным и хорошо адаптировано к условиям подземной разработки, а также может хорошо интегрироваться в уже имеющиеся системы, в частности, системы щитовой крепи.
Решение этой задачи осуществляется с помощью признаков п.1 формулы изобретения и, в частности, за счет того, что измерительный кабель включает в себя охваченную оболочкой кабеля стренгу кабеля с двумя концами, наполненный текучей средой шланг, по меньшей мере один установленный на шланге датчик давления на одном конце стренги кабеля, а также на двух концах стренги кабеля по одному штекерному соединительному элементу.
Предлагаемый изобретением измерительный кабель по своему внешнему виду по существу соответствует типичному кабелю в подземной разработке и защищен предпочтительно прочной оболочкой кабеля от повреждений, вызванных сильной механической нагрузки. В частности, кабель может соответствовать принятым в подземной разработке стандартам безопасности (например, взрывозащищенности). Оболочка кабеля охватывает стренгу кабеля, которая может включать в себя многочисленные провода для выполнения различных функций в подземной разработке, и, в частности, по всей ее длине пропущен шланг. Этот шланг наполнен текучей средой и плотно закрыт. Текучая среда может представлять собой жидкость, например воду. На одном конце шлага и, таким образом, одновременно на одном конце стренги измерительного кабеля предусмотрен датчик давления, посредством которого в этом месте может определяться давление текучей среды. Вдоль шланга и, в частности, на другом конце шланга могут быть предусмотрены другие датчики давления.
Локальное давление текучей среды в шланге по принципу сообщающихся сосудов зависит от положения шланга в пространстве. Относительное давление между двумя точками измерения на шланге может использоваться в качестве меры для разницы высоты между этими точками измерения. Аналогичным образом для измерения высоты может использоваться относительное давление между двумя разными текучими средами, которые по существу следуют в пространстве по одному и тому же пути. Таким образом, измерительный кабель, при необходимости одновременно с другими функциями, которые могут соответствовать функциям традиционных кабелей, может применяться для определения высоты. Так как текучая среда при этом заключена внутри шланга, необходимость в трудоемком удалении воздуха и наполнении шланга отсутствует. Поэтому измерительный кабель может применяться без таких подготовительных шагов непосредственно и поэтому особенно просто.
Как уже упомянуто, измерительный кабель наряду с наполненным текучей средой шлангом может включать в себя разные провода, которые распространяются по стренге кабеля. При этом речь может идти, например, об электрических проводах для снабжения током датчиков давления в измерительном кабеле и/или для считывания сигналов измерения этих датчиков давления. Но через измерительный кабель могут быть также проведены (другие) провода для совсем иных целей. Таким образом, измерительный кабель, в котором интегрированы все функции традиционного кабеля, может просто заменять этот традиционный кабель. Таким образом, измерение высоты может осуществляться без прокладывания дополнительных кабелей, а только путем замены уже имеющихся кабелей и, таким образом, особенно компактно и в значительной степени согласованно с уже имеющимися системами.
На концах стренги измерительного кабеля предусмотрено соответственно по одному штекерному соединительному элементу, с помощью которого измерительный кабель может подключаться к другим элементам. Эти элементы могут представлять собой, например, части системы щитовой крепи, удлинители, ответвления или устройства для считывания сигналов измерения, например сигналов давления и/или высоты, измерительного кабеля. В частности, речь может идти также о других подобных измерительных кабелях, так что несколько измерительных кабелей могут соединяться друг с другом в ряд, как будет описано ниже. Кроме того, штекерные соединительные элементы могут соответствовать действующим стандартам для подключений в подземной разработке, так чтобы они могли особенно просто интегрироваться в существующие системы.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны в описании чертежей, а также зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления датчик давления может быть предусмотрен для того, чтобы определять давление текучей среды в шланге относительно давления другой текучей среды в окружающей среде соответствующего датчика давления. При этом дифференциальном измерении давления датчик давления выдает давление текучей среды не как абсолютное значение, а как разницу относительно давления другой текучей среды. Эта сравнительная текучая среда может представлять собой, например, просто окружающий воздух вокруг измерительного кабеля. Впрочем, предпочтительно сравнительная текучая среда находится в определенном объеме, который по своему размеру и положению в пространстве по существу соответствует размеру и положению шланга. Именно тогда изменения положения измерительного кабеля, в частности высоты обоих концов стренги кабеля друг относительно друга, в равной мере сказываются на текучей среде в шланге и на другой текучей среде, так что разница давлений между текучими средами может особенно хорошо использоваться для определения высоты.
При этом может быть предпочтительно, если другая текучая среда заполняет внутреннее пространство измерительного кабеля. В этом варианте осуществления измерительный кабель с оболочкой кабеля и двумя штекерными соединительными элементами представляет собой замкнутый объем, который наполнен другой текучей средой, например воздухом или другим газом. Тогда текучая среда в шланге измерительного кабеля и другая текучая среда во внутреннем пространстве измерительного кабеля расположены по существу одинаково в отношении их соответствующего прохождения в пространстве.
Альтернативно может быть предпочтительно, если измерительный кабель включает в себя другой шланг, который наполнен другой текучей средой и распространяется как часть стренги кабеля от одного ее конца к другому концу вдоль измерительного кабеля. Здесь также текучая среда и другая текучая среда могут быть расположены по существу одинаково в отношении их соответствующего прохождения в пространстве. Особым преимуществом этого варианта осуществления является, однако, то, что измерительный кабель в целом не должен иметь замкнутого внутреннего пространства для другой текучей среды. Это упрощает изготовление измерительного кабеля без необходимости отказа от преимуществ дифференциального измерения с помощью сравнительной текучей среды.
По другому варианту осуществления измерительный кабель включает в себя по меньшей мере два датчика давления, из которых по меньшей мере один датчик давления расположен на одном конце и по меньшей мере один другой датчик давления на другом конце стренги кабеля, при этом датчики давления предусмотрены для того, чтобы определять давление текучей среды в шланге в окружающей среде соответствующего датчика давления абсолютным образом. В противоположность указанному дифференциальному измерению давления, при котором соответствующий датчик давления выдает непосредственно разность давлений, по которой затем может определяться высота, в этом варианте осуществления соответственно выдается абсолютный сигнал измерения. Благодаря применению по меньшей мере двух датчиков давления отсюда, в свою очередь, может определяться разность давлений. Так как по меньшей мере на двух концах стренги кабеля предусмотрено по одному датчику давления, отсюда непосредственно может определяться разница высоты между этими концами. Если предусмотрены другие датчики давления для измерения абсолютного давления вдоль шланга, другие разницы высот могут определяться в каждом случае попарно между двумя датчиками давления, предпочтительно соответственно относительно одного из датчиков давления на одном конце стренги кабеля, и отсюда характер изменения высоты измерительного кабеля.
Кроме того, может быть предпочтительно, если шланг имеет оболочку, устойчивую к диффузии текучей среды. В вариантах осуществления, в которых предусмотрен другой шланг для другой текучей среды, может быть к тому же предпочтительно, если этот шланг имеет оболочку, устойчивую к диффузии другой текучей среды. У предлагаемого изобретением измерительного кабеля не требуется наполнять шланги соответствующей текучей средой, удалять из них воздух или опорожнять их, потому что соответствующая текучая среда постоянно содержится в шланге. Для этого важно гарантировать, чтобы текучая среда не могла диффундировать сквозь соответствующий шланг. Для этого оболочка соответствующего шланга может быть выполнена собственно известным образом устойчивой к диффузии соответствующей текучей среды, например, за счет применения двойной оболочки шланга с газом в промежуточном пространстве или за счет нанесения специального, препятствующего диффузии слоя. Таким образом может обеспечиваться долгий срок службы измерительного кабеля.
В другом предпочтительном варианте осуществления соответствующий шланг измерительного кабеля может охватывать замкнутый объем и иметь расширительный участок, за счет которого этот объем является варьируемым. Если применяемая текучая среда представляет собой жидкость, то при применении измерительного кабеля, в частности при особенно большой разнице между концами измерительного кабеля, в измерительном кабеле могут возникать разрежения, которые могут приводить к выходу газов из жидкости или к возникновению областей вакуума внутри шланга. Чтобы предотвратить это, соответствующие шланги измерительного кабеля могут иметь расширительные участки, за счет которых объем шланга автоматически адаптируется к устанавливающимся условиям давления.
Кроме того, может быть предпочтительно, если измерительный кабель включает в себя электронный блок, к которому электрически подключены датчики давления измерительного кабеля и который проводами соединен с первым и вторым штекерным соединительным элементом. Этот электронный блок может снабжать током соответствующий датчик давления и считывать сигналы измерения датчика давления. Если измерительный кабель включает в себя несколько датчиков давления, электронный блок может быть соединен со всеми этими датчиками давления и принимать все соответствующие сигналы измерения. Предпочтительно электронный блок может производить перерасчет сигналов измерения или, соответственно, использовать их в совместном расчете и таким образом выполнять по меньшей мере первый шаг к определению значения высоты по сигналам измерения. Благодаря соединению электронного блока с двумя штекерными соединительными элементами проводами стренги кабеля электронный блок может через эти штекерные соединительные элементы, в свою очередь, снабжаться током и выдавать сигналы. Если в измерительном кабеле предусмотрены другие провода, которые не участвуют в функции определения высоты измерительного кабеля, электронный блок может также выполнять другие функции, связанные с этими другими проводами.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления первый штекерный соединительный элемент измерительного кабеля может механически и/или электрически соединяться со вторым штекерным соединительным элементом другого подобного измерительного кабеля. Тогда первый штекерный соединительный элемент выполнен комплементарно ко второму штекерному соединительному элементу, например, в виде штекера и гнезда. Соединение может осуществляться собственно известным образом с силовым замыканием и/или с геометрическим замыканием. В частности, штекерные соединительные элементы могут соответствовать обычно применяемым в подземной разработке подключениям и, таким образом, быть совместимыми с множеством имеющихся устройств. Соединение между двумя подобными измерительными кабелями может осуществляться непосредственно или через один или несколько промежуточных элементов. Эти промежуточные элементы могут, например, представлять собой адаптеры, удлинители, разветвления, другие кабели без функции измерения высоты или части других устройств, таких как, например, система щитовой крепи. Таким образом, измерительные кабели могут многократно объединяться друг с другом и с другими элементами.
В другом предпочтительном варианте осуществления по меньшей мере два измерительных кабеля для гидростатического определения высот в подземной разработке механически и/или электрически соединены друг с другом. Здесь также соединение может, в свою очередь, осуществляться непосредственно или через упомянутые промежуточные элементы. Соединение может осуществляться последовательно или с применением ответвлений, также по меньшей мере частично параллельно, так чтобы при применении многочисленных измерительных кабелей могли реализовываться длинные и сложные измерительные системы. Предпочтительно измерительные кабели соединяются друг с другом преимущественно непосредственно или только через такие промежуточные элементы, положение высоты которых в пространстве известно. Таким образом обеспечивается, что по соответствующей разности высоты концов отдельных измерительных кабелей может надежно определяться профиль высоты по всей длине и ответвлению измерительной системы.
На фиг.1 показан в схематичном изображении один из вариантов осуществления предлагаемого изобретением измерительного кабеля 11, который включает в себя стренгу 13 кабеля с двумя концами 15, 17. Стренга 13 кабеля имеет механически прочную оболочку 19 кабеля, которая охватывает стренгу 13 кабеля по существу в форме трубы. Внутри оболочки 19 кабеля и вдоль стренги 13 кабеля расположены несколько проводов 21, а также шланг 23. Шланг 23 включает в себя замкнутый объем, который полностью наполнен текучей средой 25, в показанном здесь варианте осуществления представляющей собой жидкость (заштриховано). Край шланга 23 образует оболочку 27, которая является устойчивой к диффузии жидкости 25. На одном конце шланга 23, который соответствует одному концу 15 стренги 13 кабеля, шланг 23 имеет расширительный участок 29, который образован эластичной складкой оболочки 27 подобно сильфону. За счет этого расширительного участка 29 заданный шлангом 23 объем хотя и является замкнутым, но варьируемым по своему размеру и адаптируется в зависимости от условий давлений в шланге 23.
На другом конце шланга 23 и одновременно на конце 17 стренги 13 кабеля на шланге 23 расположен датчик 31 давления, который предусмотрен для того, чтобы локально измерять давление жидкости 25 непосредственно в окружающей среде датчика 31 давления. Датчик 31 давления на фиг.1 определяет давление жидкости 25 относительно давления другой текучей среды 33 (не показана) в окружающей среде датчика 31 давления, причем в этом варианте осуществления другая текучая среда 33 представляет собой газ, который находится во внутреннем пространстве 35 измерительного кабеля 11 и заключен внутри него. От датчика 31 давления ведет провод 21 к электронному блоку 37, посредством которого датчик 31 давления снабжается током и которому датчик 31 давления выдает соответствующие сигналы измерения. На концах стренги 15, 17 кабеля находятся первый и второй штекерный соединительный элемент 39, 41, которые выполнены в виде комплементарных друг другу штекера и гнезда и имеют соответствующие элементы 43 подключения. Элементы 43 подключения представляют собой металлические контакты, которые соединены проводами 21 с электронным блоком 37.
Стренга 13 кабеля, а также шланг 23 и провода 21 как части стренги 13 кабеля являются гибкими, так что, в частности, шланг 23 с содержащейся в нем жидкостью 25 может быть расположен в пространстве совершенно разными способами. В зависимости от относительного положения одного конца шланга 23 относительно другого конца шланга 23, то есть в зависимости от относительного положения одного конца 15 измерительного кабеля 11 относительно другого конца 17 измерительного кабеля 11, варьируется измеряемое датчиком 31 локальное давление жидкости 25, по которому может определяться разница высоты между концами 15, 17 измерительного кабеля 11.
На фиг.2 показано, в свою очередь, схематичное изображение одного из альтернативных вариантов осуществления измерительного кабеля 11, который по существу соответствует показанному на фиг.1, но в котором в отличие от показанного на фиг.1 варианта осуществления измерительный кабель 11 включает в себя другой шланг 45, наполненный другой текучей средой 33, здесь газом (обозначено точками). Край другого шланга 45 образует оболочка 47, которая является устойчивой к диффузии содержащегося в шланге 45 газа 33. Как и шланг 23, другой шланг 45 также имеет расширительный участок 49, за счет которого заключенный в шланге 45 объем является варьируемым. Датчик 31 давления определяет давление жидкости 25 в шланге 23 относительно давления газа 33 в другом шланге 45 в непосредственной окружающей среде датчика 31 давления. Так как используемый в референтных целях газ 33 заключен в другом шланге 45 устойчивым к диффузии образом и не находится, как на фиг.1, во внутреннем пространстве измерительного кабеля 11, измерительный кабель 11 и, в частности, оболочка 19 кабеля и штекерные соединительные элементы 39, 41 в показанном здесь варианте осуществления не должны представлять собой замкнутое устойчивым к диффузии образом пространство для газа 33.
Другой альтернативный вариант осуществления показан на фиг.3 в схематичном изображении. Изображенный здесь измерительный кабель 11 включает в себя два датчика 31 давления, из которых один расположен на одном конце 15 стренги 13 кабеля на шланге 23, а другой - на другом конце 17 стренги 13 кабеля на шланге 23. Расширительный участок 29 шланга 23 находится в этом варианте осуществления на расстоянии от концов шланга 23. Оба датчика 31 давления соединены с электронным блоком 37 проводами 21. По этим проводам 21 электронный блок 37 может снабжать датчики 31 давления током и считывать соответствующие сигналы измерения. Так как измерение разницы высоты между одним концом 15 стренги 13 кабеля и другим концом 17 стренги 13 кабеля осуществляется путем рамного профиля разницы давлений на концах шланга 23, оба сигнала измерения датчиков 31 давления в электронном блоке используются в совместном расчете и в виде отдельного значения разности по проводам 21 передаются на штекерные соединительные элементы 39, 41, откуда эти сигналы могут считываться. К первому или второму штекерному соединительному элементу 39, 41 могут быть подключены устройство для считывания сигналов измерения или другие устройства (не показаны). Кроме того, измерительный кабель 1 может соединяться через штекерные соединительные элементы 39, 41 с другими подобными измерительными кабелями с получением измерительной системы (не показано).