• 03.04.2010
  • Преобразователи расхода "СПИРОСЕНС" зарегистрированы в Государственном реестре средств измерения
  • ПОДРОБНЕЕ >>>

СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ АНЕМОМЕТРИИ В УГОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Шкундин С.З., Кремлёва О.А., Иванников А.Л.

Решение проблемы обеспечения безопасности горных работ требует создания надежных технических способов и средств управления проветриванием подземных горных выработок. Возрастающие требования к качеству контроля аэрогазодинамических процессов в шахтах приводят к необходимости использования все более совершенных приборов измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков. Использующиеся в настоящее время для эпизодического контроля расхода воздуха в шахтах анемометры, а также датчики скорости движения воздуха, входящие в системы непрерывного контроля проветривания выработок и их метрологическое обеспечение не в состоянии полностью удовлетворить современным требованиям правилам безопасности и метрологии и обеспечить должный уровень контроля состояния рудничной атмосферы.

Основными приборами контроля скоростей газовоздушных потоков на шахтах в угольной промышленности по сей день, остаются тахометрические анемометры – это разработанные более пятидесяти лет назад анемометры АСО-3 и МС-13 или новые модели АПР-1. Кроме того, что эти приборы не во всём удовлетворяют требованиям предъявляемым к шахтным анемометрам по точности, надежности и удобству эксплуатации, предъявляемым к ручным шахтным анемометрам, практически отсутствует база по их ремонту и метрологическому обеспечению. Анемометрические средства в настоящее время контролируются и поверяются в основном бассейновыми отделениями Госстандарта России, НПО "НИИ им. Д.И. Менделеева" (С.-Петербург) и в Москве (Каширка). Удаленность этих организаций от горнодобывающих предприятий приводит к тому, что на практике анемометры не поверяются даже раз в год [1].

Усложнение технологии подземной угледобычи требует применения современных средств автоматики и вычислительной техники для управления процессом проветривания шахт. Применение систем автоматического управления проветриванием позволяет повысить допустимые нормы концентрации метана (во многих высокоразвитых странах они намного выше, чем в России), высвободить большое количество средств, повысить производительность добычных и проходческих машин. Эффективная работа таких систем во многом зависит от надежности датчиков скоростей и расходов воздуха, входящих в их состав, от величины их погрешности, инерционности, а также метрологических характеристик.

Особые условия шахтной атмосферы, характерные для горных выработок типы воздушных потоков, диапазон их скоростей, регламентируемый правилами безопасности в угольных шахтах, и другие факторы выдвигают ряд специфических требований, предъявляемых к приборам, используемым для контроля скоростей и расходов газовоздушных потоков в шахтах.

В соответствии с требованиями безопасности анемометрический контроль должен проводиться в исходящих струях очистных и подготовительных выработок, выемочных участков, крыльев, пластов, горизонтов и шахт в целом; в поступающих главных воздушных струях шахт, в местах разветвлений поступающих струй, у забоев подготовительных выработок и вентиляторов местного проветривания; в поступающих или исходящих струях камер общешахтного назначения.

Контроль расхода воздуха в выработках негазовых шахт, I и II категорий по газу и в камерах должен производиться не реже одного раза в месяц; в выработках шахт III категории - не реже двух раз в месяц, а в выработках сверхкатегорных шахт и шахт, опасных по внезапным выбросам, - не реже трех раз в месяц. Расход воздуха у вентиляторов местного проветривания должен контролироваться не реже одного раза в месяц.[2]

По правилам безопасности в угольных шахтах [2] средняя скорость воздуха в призабойных пространствах очистных выработок всех шахт должна быть не менее 0.25 м/с, на шахтах III категории и выше, а также в некоторых тупиковых выработках - не менее 0.5 м/с. При проходке и углубке вертикальных стволов и шурфов, в тупиковых выработках негазовых шахт и в остальных выработках, проветриваемых за счет общешахтной депрессии, - не менее 0.15 м/с. Верхний предел диапазона скоростей в вентиляционных скважинах неограничен, а в остальных выработках максимально допустимые значения скоростей составляют 4-15 м/с.

Таким образом, с учетом требований правил безопасности, для измерения скорости 0.15 м/с нижний край диапазона измерений анемометрического прибора должен быть хотя бы 0.1 м/с, а верхний предел для большинства практических применений анемометра может быть принят равным 20 м/с.

Исходя из практики можно сказать, что для верхнего и нижнего краев диапазона измерений должна обеспечиваться своя точность измерений, которая может быть охарактеризована относительной погрешностью. Для скоростей, превышающих 1 м/с, можно считать удовлетворительной погрешность, составляющую 3% измеряемой величины. Для скоростей до 1 м/с погрешность может быть задана как функция измеряемой скорости, например, ± ( a + b · V ) м/с, где V - измеряемая скорость потока, a и b -соответствующие числа.

На практике среднюю скорость определяют путем обвода сечения (если измеряют тахометрическим анемометром) замера значения или путем скорости в одной или нескольких точках сечения с дальнейшим вычислением среднего по определенным правилам.

В выработках с устойчивым полем скоростей положение точек, в которых скорость движения воздуха равна осредненной, может быть определена с достаточной степенью точности. (В круглых, например, это расстояние от стенок выработки, равно 1.3 радиуса). В выработках с выдержанным по форме сечением применяется метод определения средней скорости по измеренной максимальной путем умножения ее значения на коэффициент поля скоростей, зависящий от формы сечения и шероховатости поверхности выработки.

Чаще измерение скорости движения воздуха с использованием анемометров осуществляется путем равномерного обвода сечения выработки чувствительным элементом прибора по горизонтальным и вертикальным линиям, а также точечным методом, при котором сечение выработки разделяется на несколько секций, причем скорость движения воздуха измеряется в каждой секции, а затем вычисляется средняя по секциям скорость [3].

При точечном измерении средней скорости движения воздуха в выработке со сложной формой поперечного сечения целесообразно применять полярный метод, при котором сечение выработки разбивается радиальными прямыми на ряд секций, и средняя скорость определяется путем взятия замеров в определенных точках и усреднения по известной зависимости полученных результатов.

Весьма важно определять среднюю скорость движения воздуха при автоматическом контроле путем одноточечного контроля. В этом случае используют метод искусственного формирования поля скоростей с помощью решетки, перекрывающей сечение выработки. В большинстве выработок, однако, этот метод оказывается неприменим из-за невозможности перекрытия живого сечения выработки.

Измерение истинной скорости в точке осложняется изменчивостью эпюры скоростей во времени, её пространственным непостоянством, поскольку точка, в которой местная скорость равна средней или максимальной, флуктуирует в пространстве.

Независимо от физического принципа, лежащего в основе анемометра, при помощи которого осуществляется измерение скорости газовоздушного потока, результатом точечного замера является величина скорости, усредненной за период измерения, обусловленный постоянной времени прибора.

В шахтной атмосфере возможно появление до 0.01% СО, до 0.75% СО 2 , до 0.01% NO, до 0.007% SO 2 , до 0.0007% H 2 S, других газовых примесей, концентрация которых кратковременно может превышаться в 10-20 раз, а также рудничной пыли [3]. Колебания температуры шахтного воздуха, как правило, составляют 10-30 ? С [4] , влажность атмосферного воздуха может доходить до 100% , барометрическое давление находится в пределах 730-815 мм рт. ст. Эти факторы оказывают отрицательное влияние на характеристики анемометрических приборов и их работоспособность. Мешающим и деструктивным фактором являются механические воздействия, вибрационные и ударные нагрузки. Вблизи источников вибрации в шахтах они характеризуются ускорением 0.4-2.4 м/с и частотами 14-20 Гц [5]. Надежность анемометрических средств измерения зависит также от качества обслуживания и от режима работы. Поэтому важным требованием является требование эксплуатационной надежности анемометра, т.е. обеспечение длительной работоспособности без ухудшения метрологических характеристик.

Переход к автоматизированному и автоматическому управлению ужесточает требования к точности анемометрических измерений, подразумевает возможность частой поверки анемометров. Актуальной является разработка таких средств анемометрического контроля, которые могли бы служить в качестве образцовых, при помощи которых можно было бы поверять те, которые эксплуатируются в шахтах. Это должны быть по возможности малогабаритные аэродинамические установки способные производить поверку приборов контроля скоростей газовоздушных потоков непосредственно в производственных условиях.

Таким образом, мы можем перечислить основные требования, предъявляемые к шахтному анемометру:

- возможность измерений в диапазоне скоростей 0.1 - 20 м/с ;

- малое значение постоянной времени первичного преобразователя скорости;

- чувствительность к направлению потока;

- безопасное исполнение;

- устойчивость к воздействию угольной пыли;

- надежность конструкции (отсутствие подвижных частей);

- желательно отсутствие нарушения аэродинамической эпюры скоростей контролируемого потока;

- малая погрешность, особенно на низких скоростях.

Характеристики наиболее известных выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью шахтных анемометров эпизодического контроля, а также датчиков непрерывного контроля скорости воздуха в шахтах по данным [6], [7], [8], [9] приведены в таблице.

В настоящее время наиболее распространенными средствами измерения скоростей и расходов газовоздушных потоков на горнодобывающих предприятиях являются тахометрические приборы: крыльчатый анемометр АСО-3 , чашечный анемометр МС-13 и новый тахометр АПР-1. По принципу действия они относятся к турбинным анемометрам (с вращающейся турбинкой). Под воздействием динамического напора потока на турбинке развивается вращающий момент, величина которого является функцией скорости потока. По значению частоты вращения турбинки можно оценивать скорость контролируемого потока. Анемометром АСО-3 измеряются скорости движения воздуха в диапазоне 0.3-5 м/с. Поток воздуха действует на лопасти, которые передают вращение стрелкам счетчика через струнную ось. Чашечный анемометр МС-13 отличается от анемометра АСО-3 тем, что скоростное давление воздушного потока действует на внутреннюю поверхность четырех полусферических чашечек, расположенных симметрично по окружности. Чашечным анемометром МС-13 измеряется скорость движения воздуха в диапазоне 1-20 м/с. Для измерений требуется иметь секундомер, с помощью которого засекают время подсчета числа вращений вертушки, а затем для вычисленного значения частоты по градуировочной характеристике в паспорте анемометра определяют скорость движения воздуха. Время одного замера средней скорости потока в выработке при помощи анемометра АСО-3 должно быть не менее 100 с, а число замеров - не менее трех, так что одно измерение с учетом подготовки анемометра к работе и идентификации показаний занимает 8-10 минут. Анемометры АСО-3 и МС-13 обладают рядом недостатков, влияющих на величину погрешности измерений. С одной стороны, крыльчатка должна быть как можно легче, чтобы порог трогания и чувствительность ее были удовлетворительными, с другой стороны, она должна быть как можно более жесткой, чтобы ее не деформировал турбулентный поток. С одной стороны, ось крыльчатки должна быть как можно меньшего диаметра, с другой стороны, тонкая ось быстрее изнашивается, накапливает погрешность, подвержена влиянию пыли. Отклонение положения оси крыльчатки от вектора, параллельного или перпендикулярного потоку, приводит к дополнительной погрешности. Дополнительная погрешность вызывается также появлением на входе турбулентных вихрей. Механические чувствительные детали приборов подвержены воздействию неблагоприятных условий шахтной атмосферы, в частности оседанию угольной пыли. В то же время их метрологическое обеспечение по ряду причин неудовлетворительно (реально поверяется не более 15% эксплуатирующихся в шахтах анемометров АСО-3 и МС-13 в год).

Большинство шахтных анемометров и датчиков скорости, разработанных после АСО-3 , МС-13 и АПР-2 и выпускаемых в настоящее время, представляют собой также приборы с движущейся турбинкой, но частота вращения турбинки под воздействием контролируемого потока измеряется не механическими счетчиками, а индукционными (АИ-2), оптическими (АФЭ-1), электромагнитными (ИСНВ-1), емкостными и другими устройствами. Этим приборам присущи те же недостатки, связанные с наличием движущейся оси и крыльчатки. Кроме того, погрешность индукционных преобразователей скорости вращения крыльчатки увеличивается из-за наличия постоянного магнита на лопастях, создающего противодействующий вращению момент [10]. Погрешность измерений увеличивает также наличие в контролируемом потоке шахтной пыли, обладающей магнитными свойствами. Недостатком фотоэлектрического преобразователя является рост погрешности в результате ослабления светового потока при запыленности шахтной атмосферы. Турбинные анемометры в силу своей конструкции более пригодны для измерения в верхнем участке диапазона скоростей, а в области малых скоростей они имеют нелинейный участок характеристики, обусловленный значительным влиянием моментов сил вязкостного и механического трения по сравнению с вращающим моментом. Для снижения порога трогания (трения между осью крыльчатки и подшипниками) применяются специальные приспособления (например, в ИСНВ-1 крыльчатка размещается на специальной вибрирующей рамке). В АПР – оси закрепляются на твердых камнях. Однако это усложняет конструкцию и повышает стоимость анемометра. В современных разработках портативных турбинных анемометров (АПР-2) предусматривается автоматическое временное осреднение результатов измерений, цифровая индикация, крепление чувствительного элемента на выдвижной штанге. Однако ни этот анемометр, ни другие тахометрические приборы разработанные в последнее время, в том числе с использованием новейших технологий, на базе часовых заводов не смогли решить поставленную задачу в обеспечении измерения скоростей начиная с 0,1 м/с. Это подтверждается испытаниями опытных образцов на аэродинамической трубе Московского государственного горного университета.

Другим методом измерения скорости воздушного потока является тепловой метод. Различают два его направления: термоанемометрический и термокаталитический. Приборы, в которых измеряемый сигнал является функцией тепла, рассеиваемого в контролируемую среду телом, нагреваемым электрическим источником энергии, относят к группе термоанемометров. Существует два способа измерения скорости потока термоанемометрами. При первом способе поддерживают постоянный ток, нагревающий термоэлемент, и измерение скорости потока связывают с измерением температуры термоэлемента. При втором способе током нагрева поддерживают постоянную температуру нити, вследствие чего происходит выделение необходимого компенсирующего количества тепла. Принцип работы большинства термоанемометров состоит в том, что нагретая электрическим током нить включается в цепь моста Уинстона. Нить охлаждается протекающим потоком, уменьшается ее температура, в результате чего уменьшается ее электрическое сопротивление, что вызывает разбаланс моста и фиксируется электрическим прибором. Термоанемометр ТА-8М подобного типа измеряет скорость потока в пределах 0.1-5 м/с. Достоинствами термоанемометров является возможность измерения малых скоростей (0.1-0.5 м/с), отсутствие тепловой инерции термоэлементов. Однако нестабильность результатов градуировки, зависимость показаний от температуры потока, хрупкость конструкции, влияние на показания оседающей угольной пыли ограничивают их область применения. Термоанемометры не получили сколько-нибудь широкого применения в шахтах.

Приборы, в которых тепло переносится от нагревателя к измерительно-преобразовательному элементу контролируемым газовым потоком, относятся к контактным калориметрическим анемометрам. С увеличением скорости контролируемого потока их чувствительность падает, поэтому они пригодны для измерения малых скоростей. Термоэлектрический анемометр АТЭ-2 обеспечивает необходимую точность измерений при скорости движения воздуха 0.5 м/c. В нем при движении воздуха тепло с нити нагревания переносится на ряд термопар, что фиксируется показаниями милливольтметра. Таким образом определяется скорость и направление потока. К недостаткам термоанемометров относится чувствительность термонити к температуре и давлению среды. Чувствительный элемент термоанемометра выполняется из платиновой, иногда вольфрамовой или никелевой нити диаметром несколько микрон и длиной 2-10 мм. С уменьшением диаметра термонити уменьшается ее прочность и возрастает опасность старения, она подвержена аэродинамической нагрузке. При измерениях в турбулентных потоках вследствие пульсаций возникают вибрации термонити, которые могут вызвать либо ее разрушение, либо колебание сопротивления, что вносит существенные погрешности в измерения. Недостатком калориметрических расходомеров является также отрицательное влияние пыли, влаги и агрессивных примесей, имеющихся в газовой среде, на работу непосредственно контактирующих с ней термопреобразователя и нагревателя.

Повышение верхней границы диапазона возможных измеряемых скоростей у калориметрических анемометров осуществляется путем замедления части потока в известное число раз так, чтобы его скорость не превышала максимальной для данного термопреобразователя. Калориметрический датчик скорости воздушного потока ДВТ-VI5, входящий в состав комплекса "Воздух" для непрерывного автоматического контроля скорости воздуха в горных выработках, обеспечивает измерения по шкалам 0-2.5, 0-5, 0-10 м/с, а переход с одного предела на другой осуществляется сменой диафрагм, устанавливаемых в конусных насадках датчика.

За рубежом имеется тенденция к объединению в одном приборе напорного устройства, создающего перепад давлений, зависящий от динамического давления потока, и калориметрического преобразователя. В состав датчика скорости аппаратуры контроля скорости воздушных потоков в горных выработках "Вентор", выпускаемой фирмой "Майхак"(ФРГ), входит дифференциальная трубка Пито и калориметрический преобразователь скорости. В датчике поток, проходящий через каналы калориметрического преобразователя, формируется в результате разности полного и статического давления в различных точках контролируемого потока. Диапазоны измерения датчика 0.15-0.75, 0.5-2.5, 1.5-7.5 м/с, причем чувствительность аппаратуры к скорости можно регулировать в пределах 15% от верхней границы измерений.

Различие диапазонов измеряемых скоростей у турбинных и термоанемометров приводит к идее объединения двух датчиков, построенных на различных принципах, в одном приборе. В блоке измерения скорости движения воздуха отечественного прибора ИВМ-1, предназначенного для измерения концентрации метана и скорости движения воздуха при научно-исследовательских работах по исследованию аэрогазодинамики шахт и решении инженерных задач по вентиляции на угольных шахтах, опасных по газу и пыли, объединены термоанемометрический и тахометрический первичные преобразователи. При малых скоростях потока 0.05-0.5 м/c измерения производятся термоанемометром, при скоростях 0.5-10 м/с работает тахометрический датчик. Однако, такое конструктивное решение, по-видимому, возможно только для научно-исследовательских приборов, так как объединяющий в себе два различных датчика прибор стоит в два раза дороже и имеет большие габариты, да и вся конструкция получается очень сложной.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что на горных предприятиях России отсутствуют анемометры, построенные на принципах, отличных от турбинных и тепловых.

Однако, как мы видим, имеющиеся в наличии и серийно выпускаемые турбинные и тепловые анемометры и датчики скорости для контроля скоростей газовоздушных потоков в горных выработках обладают рядом уже отмеченных недостатков, в частности, они не в состоянии обеспечить определяемый правилами безопасности диапазон скоростей и не обладают достаточно компактной, надежной и дешевой конструкцией. При этом нельзя надеяться, что дальнейшее совершенствование конструктивных реализаций традиционных для измерений скоростей в шахтах принципов тепловой и тахометрической анемометрии приведет к созданию прибора, обладающего нужными характеристиками. Как показывает анализ современных анемометрических датчиков, дальнейшее повышение качества измерений связано с применением более дорогостоящих материалов или усложнением и повышением громоздкости конструкции. Можно сказать, что тепловой и турбинный методы измерения скорости потока исчерпали себя в отношении создания на их основе приборов для контроля скоростей в шахтах, однако так и не смогли удовлетворить нуждам шахтной анемометрии.

Пути решения проблемы, по всей видимости, нужно искать не в совершенствовании традиционных принципов конструкции, а в применении иных методов анемометрии для нужд горной промышленности. В [9] отмечено, что для шахтной анемометрии перспективными являются вихревые, акустические и лазерные приборы.

Далее кратко рассмотрим основные существующие и применимые для измерения скоростей газовоздушных потоков в горных выработках методы, учитывая изложенные выше требования к шахтным анемометрам.

Полный обзор методов измерения скорости газовоздушных потоков в горных выработках и воздуховодах проведен в [11].

Все методы можно разделить по физической идее на пять групп.

1. Методы, основанные на использовании энергии потока:

- методы, использующие переменный перепад давлений;

- методы, использующие измерение крутящего момента;

- методы, использующие явление обтекания;

• Тепловые методы:

- методы, использующие измерение температуры нагретого тела, помещаемого в поток (термоанемометры);

- методы, использующие измерение температуры потока, нагреваемого нагревателем (теплокалориметры).

3. Методы, основанные на введении в поток невесомой метки и измерении ее скорости:

- методы, использующие впрыскивание порции иного состава, цвета;

- методы, использующие намагничивание;

- методы, использующие ионизацию;

- методы, использующие подогрев;

- акустические (условно).

4. Корреляционные методы.

5. Оптические методы.

Из реализаций методов первой группы наибольшее распространение получили уже рассмотренные турбинные анемометры с вращающейся турбинкой, реже встречаются приборы с заторможенной турбинкой, измеряющие отклонение пластины, воспринимающей напор контролируемого потока, обладающие большей погрешностью.

Методы, использующие переменный перепад давлений, являются старейшими и конструктивно наиболее просто реализуемыми. Для измерения скоростей воздушных потоков в шахтах используется напорная трубка Пито [3]. С помощью трубки Пито измеряют разность полного и статического давления потока, и по этой разности вычисляют значение скорости. Одним из недостатков трубки Пито является забивание пылью входного отверстия трубки. Недостатком напорных устройств также является очень малая чувствительность при небольших скоростях. Для нужд горной промышленности они неперспективны.

Все большую популярность, особенно на Западе, в последнее время завоевывают вихревые анемометры. Различают два способа организации вихреобразования: преобразователь с закруткой потока и преобразователь с естественным вихреобразованием. Эти анемометры имеют в первичном преобразователе неподвижное тело, при обтекании которого возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации давления. Скорость потока может быть вычислена по частоте пульсаций, которая измеряется с помощью преобразователей давления, напряжения, температуры, ультразвуковых или других преобразователей. Вихревые анемометры обладают линейной характеристикой, они не подвержены влиянию изменений параметров газовой среды, почти не зависят от ориентации в пространстве. Они удовлетворяют большому числу промышленных требований, в частности, имеют простую компактную конструкцию и не содержат движущихся частей, загрязнение и эрозия обтекаемого тела очень мало сказываются на процессе вихреобразования. Основным преимуществом вихревых первичных преобразователей является достаточно большой динамический диапазон измерений (до 30) при погрешности 1% [12]. Однако работу вихревых анемометров могут нарушать акустические и вибрационные помехи, создаваемые различными источниками. Основным же ограничением для их применения является неработоспособность при снижении числа Рейнольдса потока в воздуховоде до значений ниже 10 3 -10 4 , что происходит при малых скоростях [13], [14].

Особенности методов второй группы уже были нами рассмотрены.

Приборы третьей группы, меточные анемометры или расходомеры, основаны на измерении времени перемещения какой-либо характерной части потока (метки) на контрольном участке пути. В зависимости от устройств для создания метки и ее детектирования способ может быть химическим, тепловым, оптическим, ядерно-магнитным, ионизационным и др. Меточные вещественные методы применяются для определения скоростей потоков в протяженных воздуховодах и сетях, но практически непригодны для создания компактных приборов аэрологического контроля. Меточные расходомеры чаще применяют не в качестве эксплуатационных приборов для непрерывного измерения, а для различных лабораторных и исследовательских работ.

Корреляционные расходомеры имеют много общего с меточными. Они основаны на измерении корреляции двух случайно изменяющихся величин в двух сечениях потока, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга. Корреляционные расходомеры предназначены в первую очередь для измерения скоростей многофазных потоков и потоков, имеющих какие-либо неоднородности. К их недостаткам относятся длительность процесса измерения и необходимость иметь перед преобразователем расходомера достаточно протяженный прямой участок воздуховода.

Основной тип оптических приборов, применяемых для измерения скоростей потоков газов, это доплеровские лазерные анемометры, основанные на измерении разности частот, возникающей при отражении светового луча движущимися частицами потока. Оптические анемометры имеют много достоинств: высокую точность и быстродействие, отсутствие контакта с веществом контролируемого потока. Лазерные анемометры сложны и дороги, они применяются в основном для измерения местных скоростей жидкости и газа в различных исследовательских работах.

Отдельно хочется остановиться на акустических (ультразвуковых) анемометрах и расходомерах. Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода какого-либо эффекта, возникающего при проходе акустических волн через поток жидкости или газа. По принципу действия среди них различают приборы, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффекте Доплера. Доплеровские акустические расходомеры основаны на измерении доплеровского набега частоты колебаний, возникающего при отражении колебаний от неоднородностей потока. Их используют в основном для измерения местных скоростей потоков жидкостей, содержащих неоднородности.

Среди акустических расходомеров в основном распространение получили приборы, в которых измеряется разность времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Реже встречаются приборы, в которых акустические колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления.

Излучатели и приемники колебаний выполняются на основе пьезокерамических электроакустических преобразователей (титанат бария, титанат бария-кальция, титанат бария-свинца, ниобат свинца-бария, цирконат-титанат свинца со стронцием и ниобием и т.д.), которые преобразуют переменное электрическое напряжение в акустические колебания той же частоты (обратный пьезоэффект) или наоборот (прямой пьезоэффект). В большинстве случаев излучатели и приемники изготовляют в виде круглых дисков диаметром 10-20 мм и располагают их плоскости в преобразователе расходомера под некоторым углом к оси трубы. В зависимости от числа акустических каналов в приборе различают одно-, двух- и многоканальные расходомеры. В большинстве случаев трубопроводы снабжаются особыми впадинами, свободными или заполненными звукопроводом, в глубине которых помещены пьезоэлементы.

Приборы с рассмотренными первичными преобразователями по схеме работы могут быть фазовыми, частотными или времяимпульсными. Наиболее чувствительной является фазовая схема измерений, при которой измеряется фазовый сдвиг акустических колебаний, возникающих на приемных пьезоэлементах, в результате разности времен прохождения этими колебаниями одинакового расстояния по потоку или против него. Частотные измерители основаны на зависимости разности частот повторения коротких импульсов или пакетов колебаний от направления распространения акустических волн по или против потока. Во времяимпульсных расходомерах измеряется разность времен перемещения коротких импульсов по направлению потока и против него при одинаковой длине пути.

В силу всего вышесказанного, представляется перспективным с точки зрения применения в угольной промышленности способ измерения скоростей газовоздушных потоков предложенный в Московском государственном горном университете.

Способ заключается в сравнении характеристик излученных и принятых в волноводе с газовоздушным потоком акустических волн, возникающих и детектируемых путем возбуждения кольцевых участков самого воздуховода, акустически изолированных друг от друга.

рис. 1. (схема анемометра)

Способ осуществляется, например, следующим образом (рис.1). Генератор 1 вырабатывает синусоидальное или другое периодическое колебание, которым возбуждается кольцевой участок 2, излучающий акустические волны во внутреннее пространство воздуховода, заключенного в оболочку 5. Волны перемещаются в движущемся по волноводу потоке и принимаются приемными кольцевыми участками 3 и 4. Излучающий и приёмные кольцевые участки не нарушают конфигурацию воздуховода и не создают каких-либо аэродинамических сопротивлений. Принятые приёмниками 3 и 4 волны преобразуются в электрические колебания и поступают соответственно на усилители 6 и 7, и далее в фазовый детектор 8. Фазовый детектор сравнивает фазы принятых колебаний и вырабатывает напряжение, пропорциональное разности фаз, которое подается на индикатор 9.

Анализ сложившейся ситуации с контролем скоростей газовоздушных потоков в угольной промышленности показывает актуальность разработки анемометров, работа которых основана на нетрадиционных для использующихся в горной промышленности методах. Метод должен удовлетворять требованиям, выдвигаемым спецификой эксплуатации в шахтах. Акустические методы анемометрии обладают рядом преимуществ в этом отношении.

В Московском государственном горном университете был предложен изложенный выше акустический метод измерения скоростей газовоздушных потоков (А.С. № 1682590), который позволяет создать анемометры, которые:

- измеряют скорости газовоздушных потоков в диапазоне 0.1-30 м/с;

- не вносят аэродинамическое сопротивление в контролируемый поток, не нарушают аэродинамическую эпюру скоростей;

- чувствительны к направлению потока;

- обладают малой погрешностью;

- обладают малой постоянной времени;

- потребляют минимум электроэнергии, допуская искробезопасное исполнение с минимальным весом и габаритами.

Данный способ измерения скорости потока может иметь различные реализации и применяться как при создании портативного переносного анемометра для использования в шахтах, так и в реализации стенда, предназначенного для поверки существующих анемометрических приборов. Опытные образцы таких стендов уже разработаны и функционируют в лаборатории контроля скоростей газовоздушных потоков Московского государственного горного университета. Они представляют собой малогабаритные аэродинамические установки со встроенным акустическим анемометром, который используется в качестве образцового прибора.

1. Пучков Л.А., Шкундин С.З., Соболев В.В. Метрологическое обеспечение анемометрии в горнодобывающей промышленности .Безоп. труда в пром-ти. №3, 1996.

2. Правила безопасности в угольных шахтах . М.: 1995.

3. Ушаков К.З., Бурчаков А.С., Пучков Л.А., Медведев И.И. Аэрология горных предприятий . М.: Недра , 1987 .

4. Щербань А.И. Исследование атмосферных условий в шахтах Донбасса. 1950.

5. Бухгольц В.П. Датчики и реле автоматического контроля в угольной промышленности. М.: Недра,1971.

6. Мещеряков А.А., Мещеряков Д.А., Обеспечение шахт анемометрами нового поколения -одно из направлений повышения безопасности труда . Безоп. труда в пром-ти. №5 , 1996.

7. Керстен И.О. Измерение расхода воздуха и воды на шахтах . Справочник. М,: Недра,1993.

8. Капелюшников Г.И., Колосюк В.П., Боброва Л.С. Приборы и защитные средства по технике безопасности. М.:1991.

9. Карпов Е.Ф., Басовский Б.И. Контроль проветривания и дегазации в шахтах . Справочное пособие .М.:1991.

10 Катыс Г.П. Системы автоматического контроля полей скоростей и расходов . М.: Наука,1965.

11. Шкундин С.З. Диссертация на соискание степени доктора технических наук.

12.Vortex meters: high-accuracy flow mtasurement. “Mech. Eng.”, 1991,113#10,46-49.

13. Кийясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые счетчики-расходомеры. М.:Машиностроение,1974, с.160.

14. Кийясбейли А.Ш., Перельштейн М.Е. Вихревые измерительные приборы. М.: Машиностроение , 1978, с.152.

 
 
Тел: (499)237-9467, (499)230-2531
Copyright © 2011 SirSensor