Ультразвуковой метод измерения и контроля скорости газовоздушного потока в угольных шахтах

ПРОБЛЕМЫ РУДНИЧНОЙ АЭРОГАЗОДИНАМИКИ

^ В.В. Стучилин, 2000

УДК 622.4:53.08

В.В. Стучилин

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ И КОНТРОЛЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОЗДУШНОГО ПОТОКА В УГОЛЬНЫХ ШАХТАХ

В Московском государственном горном университете разрабатывается ряд ультразвуковых анемометров, основанных на принципе измерения сдвига фаз излученных колебаний относительно принятых. Эти приборы имеют более высокие показатели по сравнению с используемыми на данный анемометрами и расходомерами.

Актуальность рассматриваемого метода подтверждается проблемой обеспечения безопасности в угольных шахтах, которая требует создания надежных технических способов и средств управления проветриванием подземных горных выработок. Возрастающие требования к качеству контроля аэ-рогазодинамических 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 не в состоянии полностью удовлетворить современным требованиям 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 более новые модели - АПР-1 (АПР-2) [2]. Кроме того, что эти приборы не во всем удовлетворяют требованиям предъявляемым к ручным шахтным анемометрам по точности, надежности и удобству эксплуатации, практически

отсутствует база по их ремонту и метрологическому обеспечению.

Одним из вариантов устранения этих недостатков может служить создание новых приборов, основанных на более прогрессивных (с точки зрения точности и надежности) методов контроля расхода газовоздушных потоков.

В настоящее время все разработки акустических расходомеров предназначены в основном для жидких сред, в отличие от газовых, что вызвано, в первую очередь, различием физических свойств жидкости и газа: акустическое сопротивление газа в 1000 раз меньше, чем у воды, а коэффициент поглощения звука в 100 раз больше, чем у жидкостей [1].

Основным элементом конструкции акустического анемометра является анемо-метрический канал, представляющий собой тонкую цилиндрическую трубу с жесткими стенками длины L радиуса Ь с открытыми концами, которая помещается в воздушный поток с постоянной скоростью и<<с, сона-правленный с осью трубы, где с - скорость звука в спокойной среде. В центре трубы находится пьезокерамическое кольцо ширины 2Ь, колеблющееся в радиальном направлении с постоянной звуковой частотой о, на одинаковом расстоянии от него расположены кольца-приемники.

Пьезокерамическое кольцо представляет собой цилиндр, на поверхности которого (внешнюю и внутреннюю) нанесена серебряная металлизация, являющаяся электродами. При подаче на электроды переменного

напряжения обратный пьезоэффект вызывает попеременно, синфазно с приложенным напряжением, сжатие и растяжение

пьезокерамического цилиндра, по направлению к воображаемой его оси и от нее. Эти колебания происходят относительно неподвижной воображаемой средней поверхности, проходящей через средние на торцах цилиндра длины окружностей. Этим колебаниям сопутствуют и колебания по длине цилиндра, нами не используемые. Под влиянием описанных радиальных колебаний, называемых осцилляциями, в цилиндрическом объеме возникают акустические колебания, распространяющиеся по каналу. Эти волны приходят на приемное кольцо, в котором пьезоэффект приводит к поляризации зарядов, на обкладках кольца возникает разность потенциалов.

Для реализации различных вариантов исследуемого способа анемометрического контроля использовались цилиндрические каналы с пьезокерамическими кольцами различных типоразмеров. Материал колец ЦТС-19, ЦТС-23, ЦТБС, также был проанализирован широкий спектр импортной пьезокерамики таких компаний как: PI Ceramic (PIC131... 163), Sensor Technology (BM400 type I, BM300...940), TRS Ceramics (TRS100...600) и др.

Принцип определения скорости потока по разности фаз принятых колебаний упрощенно можно пояснить следующим образом [1]:

и

x0-L х0

x0+L

Если в потоке газа со скоростью и источник S в точке х0 излучает звуковую плоскую

гармоническую волну с частотой о, то решением волнового уравнения для акустического потенциала будет

„ч х , ( х - х0 1

Ф(х^) = CúS\ Ot -о-— l,X > Xq ,

^ c + u )

, ( x - xQ ^

Ф(х^) = Cús\ ot -o-— l,X < Xq ,

^ c - u )

где c - скорость звука в неподвижной среде. Разность фаз принятых в точках Е1 и Е2 колебаний

Дф =

2(ñLu

(

.2

,4

Л

uu 1 + -2 + — + -

V С С у

2(ñLu

Таким образом, разность фаз прямо пропорциональна скорости потока.

В переносном анемометре, действующем по этому принципу, используется волноводное распространение звука.

Конструкция переносного анемометра, действующего по принципу фазовой акустической анемометрии, схематично может быть представлена, например, следующим образом. 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 приемные кольцевые участки не нарушают конфигурацию воздуховода и не создают каких-либо аэродинамических сопротивлений. Акустические волны, возникающие при возбуждении излучающего участка 2, распространяются также в акустических изоляторах 6 и 7, выполненных также в виде колец, являющихся частью воздуховода. Принятые приемниками 3 и 4 волны преобразуются в электрические колебания и поступают соответственно на усилители 8 и 9, и далее в фазовый детектор 10. Фазовый детектор сравнивает фазы принятых колебаний и вырабатывает напряжение, пропорциональное разности фаз, которое подается на индикатор 11.

2

2

С

С

В результате проведенных исследований было разработано несколько вариантов ультразвуковых шахтных анемометров основанных на фазовом способе измерения скорости воздушных потоков, со следующими техническими характеристиками (приводятся для АПА-1):

Как видно из приведенных технических характеристик прибора, акустический способ измерения расхода газовоздушных потоков позволяет устранить все недостатки свойственные шахтным (и общепромышленным) анемометрам и расходомерам.

В заключение следует отметить, что характеристики разработанного прибора (нижний предел измеряемой скорости, погрешность и частота измерения) позволяют использовать его в областях, где ранее возможно было применения только лазерных расходомеров. Например, акустический датчик может быть основой для медицинских диагностических спирометров, а также исследовательского оборудования, где важна высокая точность и малая инерционность, и это при небольших габаритах и стоимости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шкундин С.З. Физико- темах обеспечения безопасно- 2. Кремлевский П.П. Расхо-

техническое обоснование аку- сти шахт. Диссертация доктора домеры и счетчики количества.

Диапазон измерения скорости потока от 0.05 м/с до 30 м/с

Абсолютная погрешность измерения, м/с

Время осреднения, с (для АПА-1) от 0 до 9999

Частота измерения, Гц 300

Ресурс работы, ч (не менее) 10000

Уровень и вид взрывозащиты Р0, Иа

Степень защиты от воздействия окружающей среды ІР 54

Вес (взрывозащитное исполнение), г 800

Габаритные размеры, мм 200x50x45

Отсутствие подвижных частей

стического контроля скоростей газовоздушных потоков в сис-

технических наук: МГИ -М., 1990 г.

Справочник. - Л:

строение, 1989 г.

Машино-