矿井深度指示器应用及发展现状
摘要：深度指示器是矿井提升机的重要组成部分，如何实现准确、实时地判断提升容器在井筒中的位置，保证提升机安全运行以及实现提升机准确、安全减速停车，成为矿井安全生产的重大研究课题。针对现阶段使用的矿井深度指示器（牌坊式和圆盘式）存在误差大、功能单一、占用空间大、结构笨拙，存在较大安全隐患等问题，介绍了几种国内外正在研究或使用的新型深度指示器的工作原理和设计方法并分析了其特点，对矿山实际应用中设备的选型及技术改造等具有一定的指导意义。
在矿山固定设备中，提升设备是矿井的重要设备之一，是井下与地面联系的主要工具。矿井提升设备一旦发生事故，矿井生产将会中断或造成人员伤亡。深度指示器作为提升机的一大组成部分，它的作用是：
指示提升容器在井筒的位置；
容器接近井口停车位置时发出减速信号；
过卷保护；
减速阶段通过限速装置进行限速保护等。
1深度指示器分类
深度指示器按其测量方法的不同，可分为直接式和间接式。
直接式测量在原理上可采用以下几种方法：①在钢丝绳上充磁性条纹；②利用有规律的钢丝绳花作行程信号；③利用高频雷达、激光或红外测距装置等。这类深度指示器的优点是，测量直接、精确、可靠，不受钢丝绳打滑或蠕动等影响；缺点是技术复杂，易受外界环境等因素影响。我国正在研制在钢丝绳上定点充磁的检测装置及监控器。间接式测量是通过与提升容器连接的传动机构间接测量提升容器在井筒中的位置，一般是通过测量提升机卷筒转角，再折算成容器行程。这类深度指示器的优点是，技术设备简单，易于实现；缺点是体积比较大，指示精度不高，容易受钢丝绳打滑、蠕动或拉伸变形等的影响。国内目前使用的矿井提升机深度指示器仍采用间接测量式。
2深度指示器的应用现状及发展趋势
国内目前使用的矿井提升机深度指示器有牌坊式和圆盘式2种，它们的信号都是直接从主轴获取，以此来推测提升容器的位置，容易在提升钢丝绳发生滑动或蠕动时产生较大的误差，使提升机工作时产生较大的安全隐患。这类深度指示器的缺点是指示值不够精确，功能单一，结构笨拙，占用空间大，无自检功能，可靠性差。为了提高矿井提升机的安全保护性能，相应地出现了一些功能单一的后备保护装置，致使一台提升机要增设多台装置来达到保护齐全的要求。社会经济的发展，对煤矿安全生产提出了更高的要求，部分设备或部件的功能不能适应发展的要求，结构复杂、检测维修不便，需要进一步更新。
近年来国内外研制出各种类型的多功能矿井提升机监控器，各种信息如容器位置、提升速度、有效装载量、后备减速、过卷位置、井下打点信号等均显示在显示器上，显示器还给出整个提升系统的状况，并具有报警功能。
目前国内外研究或使用的矿井深度指示器除牌坊式、圆盘式、光电编码盘式深度指示器外，还有电压模拟式、钢丝绳充磁式、光电测距式深度指示器等。本文对近年来正在研制或使用的新型深度指示器进行介绍。
（1）电压模拟式深度指示器
基于电压表的指针指示原理，把矿井提升容器在井筒中的位置变化转变为电压变化而加在电压表上，通过电压表上指针电压的变化模拟出容器在井筒中深度的变化，实现指针转角与提升容器位置相对应，完成准确指示提升容器位置的功能。电气控制原理见图1。
R1CDCGZR2FUV
图1电气控制原理图
R1、R2.瓷盘电阻GZ.整流桥CD.自整角机C.电容FU.保险
V.仪表
由图1可知，谐波减速器带动自整角机CD旋转，其输出电压与电阻R上的电压迭加经整流桥GZ整流后加在仪表V上，而自整角机的电压变化来自提升机主轴的转动，从而将提升容器深度的变化转化为电压的变化在仪表V上指示出来。
由于市场上现有的普通电压表的尺寸小，难以满足深度指示器指示清晰和旋转角度不小于°的要求，因此电压模拟式深度指示器选择了具有与电压表原理相同的磁电式热工仪表作为深度指示器的指示装置，指示清晰，指针旋转角度为°，满足要求。
电压模拟式深度指示器是圆盘式深度指示器的一种改进，优点是结构简单，外形美观，可靠性高，成本低，使用维护方便。缺点是停电后指针会回到零位，但来电后它又会自动指出容器所在位置。因电压模拟式深度指示器仍然是从提升机主轴上获取转动信号，无法避免提升过程中绳的滑动或蠕动以及拉伸变形产生的影响。（2）钢丝绳充磁式深度指示器
钢丝绳充磁式深度指示器是我国目前正在研究的一种新型深度指示器，属于直接式测量，测量精确、可靠。钢丝绳充磁系统，由充消磁机和磁信号检测装置组成，主要用于提升容器运行位置的检测。充消磁机主要由磁极、磁轭和线圈组成，充磁机内装有的以全波桥式整流电路为主的充消磁电路可对提升机钢丝绳定点充磁。磁信号检测装置采用磁通门技术用以检测钢丝绳充磁段的磁信号，并由检测装置内部的电路部分把其输出的电信号整流，滤波、放大、整形和进行继电器电路处理作为提升行程位置指示信号，进而控制操作盘。
将电磁感应开关应用于矿井提升机上，以替代深度指示器上或井筒内部的碰撞开关，对于矿井提升机的安全运行，有着十分重要的意义。电磁感应开关是一个单稳态触发器，属于无触点开关，感应信号由钢丝绳上固定不变的充磁点发出，磁性开关通过钢丝绳上充磁点N、S的变化而动作，实现信号继电器的通断电控制，进而进行继电器电路处理并作为提升行程位置指示信号，反映提升容器行程的实际位置，不受钢丝绳蠕动、打滑和受力伸长诸多因素影响，能够确保信号准确及时地发出。同时，发信号的线圈可安装在钢丝绳摆动小且较方便的地方，改善了工人的劳动条件，易于实现。
钢丝绳充磁式深度指示器，其工作的可靠性和测量的直接性以及能够满足高精度的要求，使它将在以后的矿井提升中得到广泛应用。
（3）光电测距式深度指示器
随着光电技术、计算机技术的发展，以及电磁波（光波或微波）测距技术在距离测量中的广泛应用。以电磁波测距基本理论为基础，利用采样技术和实时监控理论，将光电测距仪应用到矿井提升，实现矿井深度指示器的直接式测量，摆脱钢丝绳打滑、蠕动等的影响，保证测量数据的精确，并实现深度、速度数字显示，限位过卷保护，限速过速保护，实时自检，声光提示等一机多功能。结构紧凑，简化设施，方便维护。指示器以电子器件构成，可方便地从电路中取得多种信号以完成不同的控制和保护功能，可替代多台后备保护装置。
光电测距仪的工作原理如图2所示。为提高精度，采用差频测相的相位式测距法，即通过设置一组与调制光波的主振频率相对应的本振频率，经混频，将其变成具有相同的差频。混频只改变频率，而不改变相位关系。刻调制光波的相位差，然后由计数显示单元计算并显示相位的距离值。
仪器设计框架如图3所示。
测角部分补偿部分测距部分处理系统CPUI/O输入输出电源显示器键盘接口
主振器调制器本振器光源接收器显示器相位计参考信号混频器测距信号混频器外光路内光路反射器