CC BY
57
-------------------------------- © Я.С. Ворошилов, А.А. Поморцев,
Д.С. Хлудов, 2009
УДК 622.807
Я. С. Ворошилов, А.А. Поморцев, Д. С. Хлудов
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ВОЗДУХА С ПОМОЩЬЮ АНЕМОМЕТРА АР-П
Уделено внимание повышению точности анемометров и достоверности измерения за счет снижения влияния находящихся в потоке пыли и влажности воздуха. Ключевые слова: горные выработки, расход воздуха, угольные шахты, скорость воздуха.
Гочность измерения расхода воздуха в горных выработках является одним из главных факторов, определяющих эффективность и качество управления проветриванием газоносных угольных шахт. Чрезмерная погрешность приводит либо к неоправданному риску из-за превышений концентрации метана допустимого уровня (риск потери добычи, увеличения взрывопожаро-опасности), либо к нерациональному расходованию воздуха.
По правилам безопасности в угольных шахтах средняя скорость воздуха в при забойных пространствах очистных выработок всех шахт должна быть не менее 0,25 м/с, на шахтах 3 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 не газовых шахт и в остальных выработках, проветриваемых за счет обще шахтной депрессии, - не менее 0,15 м/с. Верхний предел диапазона скоростей в вентиляционных скважинах неограничен, а в остальных выработках максимально допустимые значения 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 не менее 0,1 м/с, а верхний предел для большинства практических применений анемометра может быть принят равным 20 м/с.
В шахтной атмосфере возможно появление до 0,01 % СО, до 0,75 % СО2, до 0,01 % N0, до 0,007 % SO2, до 0,0007 % H2S и других газовых примесей, а также рудничной пыли концетрация которых кратковременно может превышаться в десятки раз. 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 точность воспроизведения характеристик измерительной техники и работоспособность. Деструктивным фактором являются также 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. Надежность средств измерения скорости и расхода воздуха 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.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что наиболее важными моментами для анемометра являются обеспечение точности измерений в диапазоне низких скоростей 0-2 м/с и минимизация погрешности измерений в условиях запыленной атмосферы и повышенной влажности воздуха.
В 2006 г. ООО «Горный ЦОТ» (г. Кемерово) разработал анемометр АР-П нового поколения для измерения скорости воздуха в горных выработках, принципиально отличающийся от существующих приборов для эпизодического контроля скорости воздуха.
В результате проведенных исследований был разработан и принят к технической реализации способ контроля скорости воздуха в атмосфере горных выработок, основанный на регистрации перепада давления воздушного потока, создаваемого на диафрагме. Измерение осуществляют с помощью датчиков, данные с которых поступают в процессор и в дальнейшем могут считываться из его памяти с помощью компьютера. Диапазон измерения скорости воздушного потока при использовании двух датчиков составляет 0,0550 м/с.
Проведенные стендовые испытания анемометра АР-П для измерения скорости воздуха показали что на точность измерения предложенным устройством не оказывает существенного значения наличие в воздушном потоке различных примесей (пыль, капли влаги и т.д., таблица).
Результаты стендовых испытаний АР-П
Запыленность | Влажность | Показания термо- | Показания | Погрешность
воздуха, мг/м3 воздуха, % анемометра, м/с АР-П, м/с абсолютная, %
0,5 0,507 -1,4
48 90 1,7 1,727 -1,59
2,7 2,645 2,04
18,6 19,018 -2,25
0,6 0,589 1,8
90 1,7 1,727 1,59
195 2,7 2,655 1,67
18,6 19,037 -2,35
0,4 0,395 1,25
340 90 1,7 1,729 1,71
2,6 2,573 1,04
18,6 18,79 -1,02
Порядок проведения испытания состоял в следующем: в аэродинамической трубе закреплялся экспериментальный образец анемометра, подавался воздух с различеными скоростями (0-50 м/с), температурой воздуха (15-25 0С) и влажностью воздуха (60-90 %).Прибор включался последовательным нажатием кнопок «Пит» и «Пуск» и далее, автоматически, в течении 1 мин определялась скорость движения воздуха, которая контролировалась тестовым термоанемометром. Показания двух приборов сравнивались и вычислялась погрешность измерений. Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации прибора.
По результатам проведенных испытаний установлено следующее: в диапазоне запыленности воздуха до 200 мг/м3 погрешность измерения во всех диапазонах скоростей составляла 1,4-2,3 %. При запыленности в пределах от 200 до 1300 мг/м3 погрешность была несколько выше, но не превышала 2,6 %.
Также что бы повысить точность измерений было проведено компьютерное моделирование полей скорости и давления и параметров обтекания при различных профилях приемной трубки и скорости движения внешнего аэродинамического потока. Результаты компьютерного моделирования аэродинамических ситуаций приведены ниже.
Первоначально была предложена кольцевая диафрагма, установленная перпендикулярно в цилиндрическом профиле приемной трубки, (рис. 1).
Рис. 1. Распределение давления по сечению приемной трубки, с перпендикулярной перегородкой диафрагмы, длина трубки 100 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/сек.
При использовании такой диафрагмы в измерительном канале анемометра образовывались сильные вихревые явления даже на малых скоростях. Регистрация перепада давления создаваемого на диафрагме была невозможна, так как не обеспечивалась стабильность измерения.
Было принято решение изменить форму приемной трубки путем создания конусной кривизны патрубка для уменьшения вихреобразования в средней его части. Было рассмотрено два варианта: создание и исследование симметричного конусного профиля приемной трубки длиной 100 мм и 150 мм. Моделирование аэродинамических параметров при длине приемной трубки равной 100 мм не позволило устранить появление зон турбулентности потока во всем диапазоне исследуемых скоростей. Зоны наибольшей турбулентности особенно отчетливо наблюдались при скорости спутного потока менее 1 м/с (рис. 2).
Рис. 2. Распределение давления по сечению приемной трубки, с прямолинейной конусной диафрагмой, длина трубки 100 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/сек.
Рис. 3. Распределение давления по сечению приемной трубки, с удлиненным профилем сглаженной конусной диафрагмы, длина трубки 150 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/сек.
Увеличение длины приемной трубки до 150 мм позволило стабилизировать поля скоростей и давления внутри симметричного конусного профиля, добиться ломинарности течения вблизи диафрагмы и на входе-выходе из измерительной трубки (рис. 3). Это позволило добиться четкой регистрации перепада давления на диафрагме в диапазоне измерения 0-2 м/с.
Таким образом мы добились обеспечения точности измерений в диапазоне низких скоростей 0-2 м/с и минимизация погрешности измерений в условиях запыленной атмосферы и повышенной влажности воздуха в пределах 2,5%. [ДГСга
Voroshilov JA.S., Pomortsev A.A., Hludov D.S.
INFLUENCE OF UNDERGROUND AIR PARAMETERS ON ACCURACY OF READING OF AR-P ANEMOMETER
The attention is paid to increase of anemometers accuracy and reliability of measurement at the expense of decrease of dust being in a stream and humidity of air influence.
Key words: mining developments, air consumption, coal mines, air speed.
— Коротко об авторах --------------------------------------------
Ворошилов Я.С. - кандидат технических наук, Горный ЦОТ, г. Кемерово,
Поморцев А.А. - Горный-ЦОТ, г. Кемерово,
Хлудов Д.С. - Горный-ЦОТ, г. Кемерово.
_____А
