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

Разработка автоматизированной аэрометрической установки для поверки шахтных анемометров

Воронцов А.В.

Введение: требования, предъявляемые к современной АУ.

В шахтной анемометрии проблема метрологического обеспечения стоит особенно остро, так как от режима проветривания может зависеть здоровье и даже жизни горнорабочих. Переход к автоматизированному и автоматическому управлению ужесточает требования к точности анемометров, подразумевает возможность их частой поверки и совершенствование метрологического обеспечения.

Отсутствие качественных (или вообще каких бы то ни было) образцовых средств на местах эксплуатации приводит к тому, что анемометрические средства в настоящее время контролируются и поверяются в основном бассейновыми отделениями Госстандарта России и НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (С.-Петербург). Удаленность этих организаций от горнодобывающих предприятий приводит к тому, что на практике анемометры не поверяются даже раз в год [3].

В тоже время требования, предъявляемые к точности современных анемометрических средств таковы, что столь редкий контроль метрологических параметров не может считаться нормой. В связи с этим назрела необходимость в наличии образцового метрологического средства, размещаемого в непосредственной близости от мест эксплуатации анемометров. Требования к этой установке вытекают из ее назначения. Она должна обеспечивать необходимую точность задания скорости потока, максимальную степень автоматизации (т.е. быть совместимой с современным ПК), а также приемлемые габариты и вес, для функционирования в метрологических службах шахт или объединений. Требование автоматизации весьма актуально, в связи с бурным развитием вычислительных средств, которое обеспечивает реализацию недоступных ранее возможностей.

 Предшествующие разработки .

Более 10 лет назад в лаборатории средств аэрологического контроля МГГУ была разработана аэрометрическая установка (АУ), представляющая собой малогабаритную аэродинамическую трубу, где в качества образцового средства был использован акустический анемометр. АУ предназначена для поверки анемометров АСО-3, МС-13, АП-1 и других приборов имеющих ветроприемники с габаритами менее 100 мм.

Принцип действия аэрометрической установки основан на создании единицы скорости воздушного потока, измерения его скорости с помощью образцового акустического анемометра и вычисления метрологических характеристик поверяемого анемометра, помещенного в этот воздушный поток. Установка имеет следующие технические характеристики:

•  диапазон скоростей воздушного потока создаваемых в трубе – 0,1-20 м/ с;

•  предел допустимой абсолютной погрешности измерения скорости воздушного потока – ± (0,04 + 0,04 V), где V - скорость потока;

•  габаритные размеры - 500*1200*3200 мм;

•  масса - 162 кг;

•  потребляемая мощность - 500 Вт.

Подход к построению новой АУ

Блок-схема установки аэрометрической представлена на рис.1. Вся система условно разделена на силовой, аэродинамический и информационный канал. Некоторые компоненты, как видно из блок-схемы, принадлежат сразу двум каналам. Такое разделение поможет понять функциональное назначение каждого элемента и их взаимодействие.

Аэродинамический канал представляет собой систему воздуховодов, в которой непосредственно производятся измерения. Поэтому эталонный и поверяемый датчик относятся также и к информационному каналу – они являются первичными измерительными преобразователями.

Поток создается вентилятором, который можно отнести как к аэродинамическому, так и к силовому каналу. Управление двигателем осуществляется при помощи частотного преобразователя, формирующего напряжения необходимой формы и частоты

Как и любая аэродинамическая труба, АУ будет включать в себя источник потока (вентилятор), систему соединительных воздуховодов и рабочее пространство, в котором и будет располагаться поверяемый анемометр.

В отличие от предыдущей разработки, система воздуховодов новой АУ будет замкнутой, что позволит избежать влияния сквозняков и прочих нежелательных движений воздуха, вносящих дополнительную погрешность. К тому же, замкнутая схема более экономична, так как часть энергии возвращается к вентилятору, облегчая, тем самым, режим его работы. Рабочее пространство будет представлять собой достаточного для размещения поверяемого анемометра размера разрыв в этой системе воздуховодов. Такой подход улучшит режим поверки акустических анемометров (АПА-1/3); в замкнутой камере она недопустима по причине возникновения различных отражений звуковых волн.

Состав и функционирование новой АУ

Вентилятор – самая ответственная деталь АУ, которая в основном и определяет ее метрологические качества. Вентилятор, как известно, состоит из электропривода, крыльчатки и обечайки.

Электропривод

Современные достижения в области силовой электроники, создание новых ключевых приборов ( IGBT и MOSFET ), а также наличие микропроцессорных схем управления позволяют реализовать высококачественный электропривод с замкнутой системой управления на основе трехфазного асинхронного электродвигателя переменного тока. В структуре современного электропривода принято выделять два основных звена – силовой канал и информационный канал. Силовой канал включает в себя электрический преобразователь, на который возлагаются функции связующего звена между источником электроэнергии и электродвигателем. Для приводов переменного тока формируется многофазная (как правило, трехфазная) система синусоидальных ЭДС с регулируемой частотой, фазой и амплитудой напряжения. Кроме функций регулирования тока, напряжения и частоты, в современный силовой канал интегрированы функции защиты, как силовой части, так и электродвигателя. «Информационный канал предназначен для управления потоком энергии, а также сбора и обработки сведений о состоянии функционирования системы и диагностики ее неисправностей. Информационный канал может взаимодействовать со всеми элементами силового канала, а также с оператором, другими системами электропривода и системой верхнего уровня управления» .

Все вышеописанные возможности заложены в технических устройствах, называемых частотными преобразователями. Основными функциями преобразователя частоты являются:

  • пуск, останов, динамическое торможение и торможение до полной остановки, а также регулирование скорости двигателя;
  • энергосбережение, пропорционально–интегральный (ПИ) регулятор (скорость потока, давление и т.д.);
  • последовательность торможения;
  • регулирование скорости с обратной связью по тахогенератору или импульсному датчику;
  • работа в режиме «быстрее-медленнее», S- и U-образные кривые разгона-торможения, заданные скорости,
  • работа в пошаговом режиме (JOG);
  • автоматический захват движущейся нагрузки с поиском нужной скорости (подхват на ходу);
  • адаптируемое к скорости ограничение тока для вентиляторов;
  • автоматическое ограничение времени работы на нижней скорости, защита двигателя и преобразователя частоты и т. д.

Система будет работать по классической схеме подчиненного регулирования, созданной на основе современных разработок. В качестве датчика частоты вращения вала предполагается использовать импульсный датчик угла поворота ( encoder ), так как тахогенератор не обеспечивает необходимой точности. Реализация такого подхода позволяет добиться точности стабилизации частоты вращения ротора двигателя на уровне 0,02%.

Крыльчатка

Крыльчатка – основная деталь вентилятора. От ее качества зависит стабильность потока, КПД и уровень шума всей конструкции. Она должна иметь хорошую балансировку, высокий КПД и быть достаточно жесткой для работы на высоких оборотах. Крыльчатка, используемая в данной установке, изготовлена по специальному заказу с учетом вышеизложенных требований. В ней достигнуты оптимальная балансировка, высокий КПД и минимальный уровень шума. Последнее достоинство является достижением изготовившего ее специалиста и запатентовано как изобретение.

Обечайка

Обечайка предназначена для формирования необходимой характеристики вентилятора и должна быть изготовлена с необходимой точностью. Это обуславливается малой величиной зазора между внутренней стенкой обечайки и крыльчаткой (около 2 мм), которая необходима для формирования требуемой аэродинамической характеристики. При этом обечайка должна иметь достаточную массу для поглощения возможных вибраций.

Расчет аэродинамических параметров АУ

Расчет аэродинамики новой конструкции был произведен в соответствии с [1]. Вся установка представляет собой цепь последовательно соединенных элементов с правильной геометрией, поэтому расчет аэродинамических параметров АУ не представляет большого труда. Рассчитывается депрессия каждой составляющей, затем результаты суммируются.

Структурная схема новой АУ

Основная идея повышения метрологических характеристик состоит в использовании высокоточной стабилизации частоты вращения вентилятора, вкупе с отказом от применения заслонок для достижения малых скоростей. Оба эти подхода стали реальностью именно благодаря появлению современной элементной базы силовой электроники и реализации на ее основе частотных преобразователей. Эти устройства позволяют достичь невиданного ранее качества управления:

•  стабильность и точность задания частоты вращения вала двигателя, % 0,01;

•  минимальная частота вращения ротора, Гц ............................ 0,5.

Столь малая минимальная частота вращения, недостижимая при использовании коллекторного двигателя, как раз и дает возможность отказаться от использования заслонок, которые резко снижают точность установки и создают дополнительные проблемы при конструировании.

Помимо повышения качества и точности поверки, это позволит избавить оператора от рутинного труда и исключит так называемый «человеческий фактор». Результаты измерений будут храниться в ЭВМ, что даст возможность их обработки и хранения, позволит быстро и точно проследить историю поверок данного прибора. Все это должно положительно сказаться на уровне и качестве метрологического обеспечения шахтной анемометрии.

Безусловно, любая новая разработка должна использовать накопленный опыт, в то же время относясь к нему критически и развивая заложенные идеи в современном ключе. Описанная выше установка имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают ее использование в качестве современного метрологического средства. К этим недостаткам относятся невысокая точность задания частоты вращения вала двигателя, отсутствие обратной связи по скорости потока, необходимость ручного съема показаний, проблематичность поверки новых типов анемометров (акустических). Эти изъяны обусловлены, прежде всего, моральным устареванием заложенных в ней технических решений. В первую очередь это относиться к средствам электроники и автоматики. Электропривод постоянного тока с тиристорным управлением не в состоянии обеспечить хорошее качество регулирования, а обилие аналоговой электроники вкупе с ручным управлением режимом работы создают дополнительные препятствия на пути достижения высокой точности. Сегодняшний уровень развития технологий диктует качественно новый уровень исполнения.

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