应用案例

矿用防爆DISTO ET-02/05速测仪原理、应用及检测

字号+ 作者:admin 来源:未知 2010-04-17 10:08 我要评论( )

1 导 言 在含有瓦斯的矿井和其它有害气体的地下工程中使用非防爆现代电子测绘仪器是十分危险的,由此可引起矿井瓦斯爆炸,进而限制了现代电子测绘仪器在矿井中的应用,阻碍了矿山测量的自动化、现代化、实时化和野外数字化。为此,研制防爆型矿用测绘仪器历


 

1 导 言

在含有瓦斯的矿井和其它有害气体的地下工程中使用非防爆现代电子测绘仪器是十分危险的,由此可引起矿井瓦斯爆炸,进而限制了现代电子测绘仪器在矿井中的应用,阻碍了矿山测量的自动化、现代化、实时化和野外数字化。为此,研制防爆型矿用测绘仪器历来是矿山测量工作者的热点课题。多年来,我国有关部门成功地研制了矿用防爆测距仪、电子经纬仪、全站仪,其大多数是对进口电子仪器的防爆改装。伴随着国产电子仪器质量的真正过关和全面普及,国内有关研制单位把目光投向了价格仅为进口1/2-1/3的国产优质电子仪器的防爆改装,DISTO ET—02/05速测仪正是在这一背景下产生的。此项目于1997年初由山东省科委立项,经一年多攻关,于1998年5月通过国家煤矿防爆安全产品质量监督检验测试中心鉴定,达到了原煤炭工业部防爆电器设备的规范要求。1998年6月在煤矿井下做了工业性工作实验,证明各项指标均达到要求,1998年7月山东省科委组织省级专家鉴定,认定DISTO ET—02/05速测仪在无反射棱镜、防爆、长测程时所用棱镜物美价廉,数据接口为标准的RS—232C,由E500或其它掌上机控制实现野外自动采集,可进行三维导线和三维放样测量,是矿井控制测量和施工自动化的理想工具,也是矿山GIS的良好数据采集系统,整体系统达到国内领先水平。

2 主要技术指标

测程:0.2-30m(无合作目标)

30—300m(有反光板)

测距精度:±(5mm+1mm/100m

角度测量:水平测角范围360°/400°任选

测角精度:

一次测回水平方向中误差<±2"(ET—02)

一次测回水平方向中误差<±5"(ΕΤ-05)

环境温度:-20℃45℃

相对湿度:96%

大气压力:(0.8-1.1)×105Pa

仪器具有矿用本质型防爆功能,防爆标志为:iB1(150℃),安全系数为2,允许在各类瓦斯矿井中使用。

仪器电源为防爆型镍镉可充电池组,电压为6V,限流电阻采用Φ0.2mm康铜丝在瓷架上双线并绕制成对4.3Ω/10W电阻串联在6V电源中,将电池组,限流电阻用南京大学704硅橡胶密封,最小厚度不小于1mm

该仪器既可实现无合作目标的漫反射精密测量,又可配合反光板进行较长距离精密测量,目前国内井下测量中无合作目标测量仍为空白,本仪器采用脉冲相位式测量方法,既成功进行了脉冲式无合作目标精密测量,也可与普通相位式激光测距仪一样进行精密测量。

仪器的角度测量实现数字化,精度可达2"或5"。角度测量采用先进的光栅测量技术,将角度转动量转化为模拟信号,通过微处理器进行角度计量。

该仪器具有本安型防爆功能,其标志为ExiB1。其中:Ex为防爆电路的总标志,x为本安型电路标志,iB表示为等级,指正常工作和一个故障时,不能点燃爆炸性气体混合物的电器设备。1表示适用煤矿井下使用的1类防爆电器设备,(允许最高表面温度为150℃),安全系数为2。

3 仪器测量及防爆原理

电子经纬仪选择性能价格比最优的电子经纬仪ET—0/05,由我国南方测绘仪器公司研制,已批量生产并出口创汇;测距仪选择价格较低的手持测距仪,可有、无合作目标,由瑞士Leica公司制造;野外采集系统选择PC—E500。

3.1 激光测距原理

测距基本公式 D=1/2.CT=C/4πf.(Nπ+ΔΦ),式中ΔΦ不足于一个光尺的相误差,如何精确的计量ΔΦ是激光精密测量的关键。

我们选用目前世界是最先进的可见半导体激光器作光源,对它们进行脉冲调制,通过光学系统发射,经被测物漫反射后,为雪崩二极管接收,并将调制信号转变为电信号,它保留了调制光在测线上往返带来的相移,再经过前置放大器进行放大整形,输至混频电路,经本振信号差频,产生频率为4kHz的参考信号,再与机内4kHz的参考信号,进行数字比相。然后,将鉴相信号,控制脉冲,50MHz填充脉冲,同时作用于一门电路,得到脉宽与距离成正比的连续脉冲,将这一待测距离的数值信号通过微处理器,显示出距离数值。

激光源的选择采用世界上最先进的半导体激光器作为光源,波长为:0.62-0.67nm,它具有体积小、功耗小,直观可见的优点。这种光源是实现无合作目标自动化测量仪关键部件。

选用雪崩光电二极管作为接收器件,其工作电压为120V,可将微弱的漫反射激光信号进行上千倍的放大,通过整形电路整形,变为数字信号。

GFG集成反光板:通常激光测距仪中合作目标为特制的立方棱镜,加工较困难、价格昂贵;现采用GFG集成反光板,它是由多个小立方棱镜组合而成,提高了反射效率,加工方便,国内生产。

3.2 角度电子测量原理

电子经纬仪ET02/05水平和垂直度盘均选用79mm直径光学玻璃圆盘,在其径向均匀刻划出16200条刻线,形成光栅度盘。当光栅度盘与密度相同的指标光栅(相当于零指标线)叠置,将产生莫尔条纹,因二光栅间的夹角较小,很小的光栅移动量就会产生很大的条纹移动量。对于某一角度Φ的测量是通过LS(指示光栅)和LS(转动光栅)给出的脉冲计数(获得nT)和相位测量(获得ΔΤ),即Φ=NΦ0+ΔΦ,其中Φ0为相邻刻划线夹角,ΔΦ=ΔΤ.Φ0/T,水平角采用双读取头,天顶距采用单读取头,将Φ转化为电子模拟信号,通过仪器微处理器80C552显示,填充频率为6MHz。

3.3 电路的防爆处理

由于在矿井下存在着大量的尘埃、煤粉、水气和不同浓度的瓦斯,瓦斯中含有CH4、CO、O2、H2S等,电子仪器在井下工作时存在着瓦斯爆炸的危险。电子线路的防爆有多种形式,考虑到测量仪器体积小重量轻的要求和技术上的可靠性,选用了安全火花型防爆方案。对于一般电路而言,安全火花的能量主要取决于电路中的电压、电流、电感、电容及火花持续时间,在仪器的设计中尽量削弱和抑制火花能量,使其低于0.28mJ,以防止瓦斯爆炸。在仪器中,采用防爆镉镍电池组,整机工作电流为0.24A,空载电压为6.8V。在电源中串入了阻抗元件,当电源电路短路时,短路电流低于1.5V,电源用于704固化硅橡胶密封,无气泡,无缺陷,无裂缝,面灌注最薄处不小于1mm,电源外套为羊皮材料制作。1998年5月在国家煤矿防爆安全产品质量监督检验测试中心通过防爆检定。检验气体是,氢气浓度为21%与空气的混合物,电感为90mH,电压+24V,电流30mA,检验设备起爆次数均小于40次。在这种情况下,对整机进行了短路检验,通断试验。对感性电路、容性电路、阻性电路分别作了火花点燃实验。对电路中+120V高压,6V电路及其它电路,分别作了1600次火花点燃实验,无一例爆炸。通过国家级防爆实验证明,仪器的防爆处理是成功的,达到了本安型电子仪器的防爆规程要求。

样机于1998年6月5日在鹿洼煤矿做了工业试验,认证在无合作目标时测程大于30m。测角达到2",测距精度达到了(±5mm+1mm/100m)的要求。于1998年6月8日,通过了济宁计量局做的测试,认证仪器达到了各项设计要求。

4 防爆DISTO ET—02/05速测仪自动采集原理(功能扩展)

速测系统由电子经纬仪ET—02/05/DISTO测距仪,控制器E500组成,E500向速测仪主机发出观测并传输天顶距、斜距,水平角三元观测值命令,速测仪响应,E500通过内存软件将传来的三元观测值字符变化为测量标准的三元数据,加入有关温度、气压、加乘常数改正,并建数据库存贮,其关键技术是控制代码,通讯参数,数据提取,数据存贮。

选择了一次测量就能获得三维坐标的三维导线测量概念,每次瞄准目标自动采集记录三元观测值(天顶距、水平方向值、倾斜距),经自动、实时处理成三维导线成果,代替井下基本和采区控制导线。同时能自动给出放样参数,指导井下采掘。

防爆DIST0 ET—02/05速测仪由于它体积小,精度高,同时具备不用合作目标进行长度测量的优点,所以它非常适应于煤矿井测量。从而实现多年井下难以展开的测量数字化、自动化,向井下测量现代化迈出了坚实有力的一步。速测仪全套价格仅3万余元,进口一台地面测量的全站仪需近10万元,该仪器的推广应用前景可观。

5 DISTO —ET—02/05防爆速测仪检测

a 速测仪检测,尤为用户使用过程中对其检测,一般称为第三检测,本文作者之一对此问题进行过系统的研究,并得出了一些有益于实际工作的结论,有兴趣的读者可参考文献〔1〕。这里侧重讨论测距部分、乘常数的测完,此项工作可在矿区多年前普通建立的50m120m比长台上进行。

若无比长台,可用A、B、C三点一线法,如图1所示,观测水平距离LAB、LAC、LBC,则仪器加乘数为C=LAB+LBC-LAC。

图1

若有比长台,可选用30m左右的比长台,已知距离L0,观测得L,则C=L-L0,若求得C较大,可参照测距仪说明书予以校正变小。

b 加乘常数联合检测

如图2所示,在比长台上分别观测LA1、LA2…、LAn-1、LAn,设加、乘常数为C、K,则有:

Vi=(LAi+C+KLAi)-L0Ai  (1)

图2

式中

L0Ai——比长台上已知点间距。

将式(1)表示为矩阵:

  (2)

式(2)中:l0=(LA1-LA1 LA2-L0A1…LAn-L0An)T,X=(C K)T

依最小二乘原理,使VTV=min,则有

  (3)

从而求得C、K,注意K的单位以百米为单位,速测仪应定期检测。


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