CC BY
15
УДК 622.817.47
Д.С. Хлудов, Я.С. Ворошилов
ООО «Горный-ЦОТ»
Разработка макетного образца портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках
Приведены результаты исследований по разработке макетного образца портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках и результаты стендовых испытаний с целью определения работоспособности прибора
Для обеспечения безопасности ведения горных работ в угольных шахтах одним из основных контролируемых параметров является скорость движения воздуха в горных выработках. При этом наиболее важными моментами являются обеспечение точности измерений в диапазоне низких скоростей 0-2 м/с и минимизация погрешности измерений в условиях запыленной атмосферы и повышенной влажности воздуха. Решению именно этих задач и был посвящен проведенный комплекс исследований по разработке макетного образца портативного анемометра.
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.
Для снижения трудоемкости исследований 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 (рисунок 1). 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.
Рисунок 1 - Распределение давления по сечению приемной трубки с перпендикулярной перегородкой диафрагмы (длина трубки 100 мм, скорость потока воздуха 0,25 м/с)
Было принято решение изменить форму приемной трубки путем создания конусной кривизны патрубка для уменьшения вихреобразования в средней его части. Были рассмотрены два варианта: создание и исследование симметричного конусного профиля приемной трубки длиной 75 и 150 мм. Моделирование аэродинамических параметров при длине приемной трубки, равной 75 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 (рисунок 2).
Рисунок 2 - Распределение давления по сечению скорость потока воздуха 0,1 м/с)
приемной трубки (длина трубки 75 мм,
Увеличение длины приемной трубки до 150 мм позволило стабилизировать поля скоростей и давления внутри симметричного конусного профиля, добиться ламинарности течения вблизи диафрагмы и на входе-выходе из измерительной трубки (рисунки 3, 4) и четкой регистрации перепада давления на диафрагме во всем диапазоне измерения 0-50 м/с.
Рисунок 3 - Распределение давления по сечению приемной трубки (длина трубки 150 мм, скорость потока воздуха 0,1 м/с)
Рисунок 4 - Распределение давления по сечению приемной трубки (скорость потока воздуха 0,25 м/с)
С помощью проведенного компьютерного моделирования разработана конструкция, реализованная в макетном образце портативного анемометра.
Конструктивно устройство для измерения скорости воздуха выполнено следующим образом.
Корпус прибора соединен с приемной трубкой, в которой с обеих сторон диафрагмы выведено по два входных и выходных штуцера с двух датчиков расхода воздуха. Данные с одного или двух датчиков расхода воздуха поступают в преобразователь и отображаются на цифровом табло. Диапазон измерения скорости воздушного потока при использовании двух датчиков составляет 0,05-50 м/с при погрешности измерения не более 2,5% даже при загрязнении воздушного потока пылью и при относительной влажности до 100%.
Особенностью предлагаемого устройства является также возможность измерения скорости реверсированной струи воздуха, при этом оно выдает измеренное значение скорости со знаком «-».
После предварительной конструктивной проработки была принята к реализации следующая принципиальная схема прибора измерения скорости воздуха в горных выработках (рисунок 8).
Прибор измерения скорости воздуха в горных выработках состоит из измерительного патрубка 1 с диафрагмой 2. К измерительному патрубку подключают чувствительный элемент -датчик расхода воздуха 3, штуцеры входа 4 и выхода 5, которые введены внутрь патрубка 1 и расположены с обеих сторон диафрагмы на равном расстоянии от нее. Принцип действия датчика основан на регистрации перепада давления воздушного потока, создаваемого на диафрагме. Для расширения диапазона измерения скорости и расхода воздуха использованы два датчика расхода газа, что позволяет автоматически регистрировать перепад давления на диафрагме с разной
точностью. В этом случае используются два датчика с разными диаметрами проходного сечения штуцеров, причем второй датчик 6 подключают относительно диафрагмы аналогично первому.
Рисунок 5 - Принципиальная схема прибора измерения скорости воздуха в горных выработках
При выполнении устройства в виде переносного измерительного прибора оба датчика расхода воздуха соединены с преобразователем информации 7, выдающим в соответствии с настройкой результаты измерения на табло 8, причем датчики, преобразователь информации (процессор) и табло размещают в одном корпусе I.
Проходные сечения штуцеров датчиков имеют разные диаметры, что позволяет автоматически регистрировать перепад давления на диафрагме и расход воздуха с разной точностью. При этом измерение проводится по двум диапазонам. Датчик, имеющий больший диаметр проходного отверстия штуцеров, производит измерение скорости воздуха в диапазоне 0,01-2,0 м/с и при значениях, близких к 2,0 м/с, автоматически отключается, и включается второй датчик, имеющий меньший диаметр проходного отверстия штуцеров и проводящий измерение в диапазоне 2-50 м/с.
Были проведены также стендовые испытания макетного образца портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках. Испытания проводились в условиях, максимально приближенных к условиям реальной эксплуатации прибора.
Порядок проведения испытания состоял в следующем: в аэродинамической трубе закреплялся макетный образец анемометра, подавался воздух с различными скоростями - 0-50 м/с, температурой 15-250С и влажностью воздуха 60-90 %. Прибор включался последовательным нажатием кнопок «Пит» и «Пуск», и далее автоматически в течение 1 мин определялась скорость движения воздуха, которая контролировалась тестовым термоанемометром. Показания двух приборов сравнивались, и вычислялась погрешность измерений.
По результатам проведенных испытаний установлено следующее (таблица 1). При запыленности воздуха до 200 мг/м 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 %.
Таблица 1 - Результаты стендовых испытаний анемометра РРА-1
Запыленность Влажность Показания Показания Погрешность
воздуха, мг/м3 воздуха,% термоанемометра, м/с РРА-1, 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 2,6 1,729 2,573 1,71 1,04
18,6 18,79 -1,02
0,5 0,507 -1,4
250 90 1,7 2,6 1,731 2,658 -1,82 -2,23
18,6 18,116 2,6
Испытания показали полное соответствие прибора требованиям технической документации. Нарушений при работе анемометра в процессе испытаний выявлено не было. Общий вид стенда с установленным прибором приведен на рисунке 9. Общий вид макетного образца приведен на рисунке 10.
Рисунок 6 - Общий вид стенда с установленным прибором для испытаний
Рисунок 7 - Общий вид макетного образца
Таким образом, на основании проведенного компьютерного моделирования была разработана принципиальная схема и изготовлен макетный образец портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках.
В результате стендовых исследований макетного образца портативного анемометра для измерения скорости воздуха в горных выработках было установлено следующее:
1 Обеспечение точности (минимизация погрешности) измерений скорости воздушного потока достигается за счет оптимизации профиля приемной трубки.
2 Расширение диапазона измерений скорости воздушного потока в диапазоне 0-50 м/с возможно при оснащении анемометра двумя датчиками расхода разной чувствительности, которая обеспечивается различными диаметрами входных и выходных штуцеров датчиков.
3 Единообразное размещение датчиков относительно диафрагмы обеспечивает плавный переход измерений в двух диапазонах 0-2 и 2-50 м/с с минимизацией погрешности измерений до 2,5-2,6 %.
4 Разработан образец прибора для измерения скорости воздуха в горных выработках, который успешно прошел стендовые испытания и испытания по внесению в Госреестр средств измерения. Прибор прост в эксплуатации и позволяет точно произвести необходимые измерения.
