книги из ГПНТБ / Местер, И. М. Автоматизация контроля и регулирования рудничного проветривания

В соответствии с допустимыми скоростями движения воздуха в горных выработках непрерывным измерением должны быть охва­ чены следующие диапазоны: 0,15—5,0 м/сек — для подготовитель­ ных и очистных выработок, 1,0—10,0 м/сек — для главных откаточ­ ных и вентиляционных выработок, 4,0—20,0 м/сек — для вентиля­ ционных стволов и каналов вентиляторов.

Эти диапазоны определяют пределы измерения датчика, который должен обеспечивать точность измерения скорости движения воз­ духа по горным выработкам в пределах ±5% . В датчике должна быть предусмотрена автоматическая компенсация колебаний темпе­ ратуры, влажности, давления и влияния запыленности воздуха.

Одним из основных специфических требований, предъявляемых к датчику для измерения скорости движения воздуха, является тре­ бование к его инерционности. Известно, что скорость (количество) воздуха, проходящего по горным выработкам, представляет собой случайную функцию времени (см. § 2). Мгновенная скорость ѵ (t) потока при турбулентном характере двияшния воздуха в горных выработках изменяется весьма существенно.

Характерным для ѵ (t) является наличие резко выраженных высокочастотных (/„ = 0,02 -ъ 1 гц) колебаний, не несущих полез­ ной информации с точки зрения измерения и регулирования.

Следовательно, высокочастотные колебания воздушного потока можно рассматривать как помеху, накладывающуюся на низкоча­ стотный сигнал, которую целесообразно отфильтровать.

Наиболее просто это можно осуществить с помощью соответству­ ющего подбора инерционности датчика скорости воздушного потока. Исследованию величины целесообразной инерционности датчика скорости движения воздуха (ДСДВ) посвящен ряд работ. Днепро­ петровским горным институтом определено, что постоянная времени ДСДВ должна составлять около 10—20 сек [74].

Применительно к условиям угольных шахт Донбасса, основываясь на анализе спектральной плотности случайного процесса — скорости движения воздушного потока — и рассматривая датчик как аперио­ дическое звено первого порядка, МакНИИ [75] была найдена зави­ симость, связывающая постоянную времени датчика ТА с коэффи­ циентом сглаживания К сг и коэффициентом затухания а„ автокорре­

Полученное значение Тд составило 40 сек, на основании чего рекомендуемая постоянная времени датчика должна составлять

30—60 сек.

Однако для использования формулы (III.1) необходимо знать а п, что связано с выполнением сложных и трудоемких корреляцион­ ных расчетов. Но так как для определения величины постоянной вре­ мени ДСДВ не требуется большой точности, а некоторое ее увеличе­ ние скажется лишь положительно на работе системы регулирования

141

на вход которого подается сигнал частотой / в, находим выражение для коэффициента сглаживания пульсаций у

1

им. Ленина (ВЭИ) или датской фирмой «Дизаэлектроникс». Для этого подсчитываем число положительных и отрицательных выбросов п на кривой и (t) за предполагаемую линию математического ожидания V (t) в течение периода наблюдения t сек.

Если взять время наблюдения достаточно большим, то можно приближенно считать, что

(ІИ-4)

Обработка записей скорости воздушного потока и данных по

150—200 сек. Следовательно, наиболее приемлемой величиной по­ стоянной времени ДСДВ является 60—180 сек. Здесь следует отме­ тить, что, строго говоря, постоянная времени датчиков термоанемометрического типа сама является величиной переменной, зависящей от абсолютного значения скорости движения воздуха (с ростом ско­ рости Тя уменьшается).

Все ДСДВ, которые могут быть пригодны для использования в условиях рудников и шахт, можно разделить по принципу дей­ ствия на следующие группы:

1)датчики, основанные на использовании статического или ди­ намического давления воздушного потока;

2)датчики, основанные на измерении количества тепла, отдавае­ мого нагретым телом воздушному потоку;

3)датчики, основанные на измерении времени прохождения воздушным потоком определенного расстояния;

4)датчики, основанные на измерении физических параметров системы «чувствительный элемент — воздушный поток».

Каждую группу датчиков, в свою очередь, можно разделить на ряд подгрупп.

142

Датчики, основанные на использовании статического или динамического давления воздушного потока

Эту группу датчиков можно разделить на следующие подгруппы: а) датчики, в которых движение воздушного потока восприни­

мается крыльчаткой; б) датчики, в которых движение воздушного потока восприни­

мается пластиной, отклоняющейся под его напором; в) датчики, в которых применяются трубки, воспринимающие

перепад статического давления на участке выработки или сужающем устройстве;

г) датчики, в которых используются трубки, воспринимающие динамический напор потока.

Преимуществами ДСДВ, у которых в качестве чувствительных элементов применены крыльчатки или вертушки, являются сравни­ тельная простота конструкции и линейная зависимость выходного сигнала от скорости движения воздуха. Недостатком этих датчиков является наличие опор, в которых вращается крыльчатка. Это вле­ чет за собой трудность сохранения стабильности показаний при непрерывной работе во влажной рудничной атмосфере, содержащей газообразные агрессивные примеси, пыль и пр. Однако в последнее время появился ряд конструкций датчиков для непрерывного ди­ станционного контроля скорости движения воздуха, у которых в ка­ честве чувствительного элемента использована крыльчатка. К числу таких приборов относятся фотоэлектрический и импульсный индук­ ционный анемометры конструкции Днепропетровского горного ин­ ститута [1].

Фотоэлектрический и индукционные анемометры разработаны также в ЧССР в научно-исследовательском институте угля в г. Радванице [77]. фотоэлектрический анемометр ДМОЗ позволяет изме­ рять скорость движения воздуха от 0,5 до 5,5 м/сек.

Индукционный анемометр ДМОІ для взрывобезопасной среды испытывали на руднике «Младец». Диапазон измеряемых скоростей ДМОІ составляет 0,6—3,20 м/сек. Появилось сообщение [78] о пред­ стоящем оснащении шахтных вентиляционных систем на золотых рудниках в Южной Африке дистанционными анемометрами «Zlowmaster», изготовляемыми в Англии. Датчики состоят из крыльчатого приемного устройства, дистанционно связанного с индикаторным блоком, в котором поступающие электрические импульсы преобра­ зуются в сигнал постоянного напряжения, подаваемый на показы­ вающий прибор. Погрешность показаний составила 2% при удалении датчика от показывающего прибора на 305 м.

Проведенные ДГИ испытания на длительность непрерывной ра­ боты крыльчаток в рудничной атмосфере показали, что через 60— 70 дней работы датчики на струнной оси и на кернах изменили свои показания соответственно на 2,5 и 11% в сторону увеличения истинного значения скорости потока, а в дальнейшем вышли из строя [1]. Аналогичные данные получены также ЦНИГРИ. Поэтому

143

необходимо предусматривать меры по предохранению крыльчатки ДСДВ от пыли, влаги и механических повреждений.

В дальнейшем в ДГИ были разработаны усовершенствованные модели ДСДВ типа ДКВ (датчик контроля воздуха), которые при испытаниях на шахтах «Лутугинская-Северная» и им. Бажанова проработали без смены кернов, подпятников и крыльчаток по году и более.

Наиболее типичными датчиками, в которых в качестве чувстви­ тельного элемента использована пластина, отклоняемая под дейст­ вием напора воздуха, является трансформаторный датчик угла от­ клонения, а также индикатор потока воздуха института Гипроникель и датчик скорости ПечорНИУИ. Преимуществом этих датчиков является сравнительно простое устройство, а недостатками — нали­ чие механического чувствительного элемента, относительно низкий порог чувствительности, а также невысокая точность измерения, об­ условленная образованием переменной аэродинамической силы в ре­ зультате возникновения вихрей при обтекании тела воздушным по­ током, причем амплитуда и частота колебаний аэродинамической силы значительны и непостоянны.

Следующая подгруппа датчиков позволяет измерять скорость воз­ душного потока по перепаду статического давления на участке выра­ ботки или сужающем устройстве. В качестве приемников статического давления служат статические трубки. Регистрацию давления можно осуществлять различными поплавковыми дифманометрами с водя­ ным или масляным наполнителем, серийно выпускаемыми отечест­ венной промышленностью.

К этой подгруппе датчиков тесно примыкают датчики четвертой подгруппы, в которой приемниками кинетической энергии движу­ щейся воздушной струи являются трубки скоростного напора, а вто­ ричными приборами — различные типы дифференциальных мано­ метров.

Датчики двух последних подгрупп нашли широкое применение в различных отраслях промышленности. Специфические условия рудников и шахт, прежде всего высокая запыленность и влажность воздуха, обусловливают серьезные трудности их использования, так как динамические и статические трубки, а также отверстия, слу­ жащие приемниками давления, быстро забиваются пылью. Кроме того, при скорости движения потока до 3 м/сек чувствительность этих датчиков недостаточна. Однако для контроля подачи необхо­ димого количества воздуха к забою вентиляторами местного провет­ ривания по скорости (давлению) струи воздушного потока в конце воздухопровода успешно применяют аппаратуру АКВ-2П.

Датчики, основанные на измерении количества тепла, отдаваемого нагретым телом воздушному потоку

В качестве чувствительных элементов в этой большой группе датчиков применяют металлические трубки и стержни, металличе­ ские и полупроводниковые термосопротивления, термопары и полу­

144

проводниковые приборы. Важными преимуществами подобных дат­ чиков являются отсутствие движущихся элементов; возможность введения автоматической компенсации колебаний температуры, влаж­ ности, давления воздуха, влияния запыленности воздуха, изменения в достаточно широких пределах инерционности чувствительного элемента соответствующим подбором его тепловых, электрических и конструктивных параметров. Недостатком же этих датчиков являет­ ся нелинейная зависимость выходного напряжения от скорости воздушного потока, которая, однако, может быть существенно уменьшена или устранена совсем как выбором соответ­ ствующего участка на рабочей характери­ стике, так и введением схемы автомати­

измерения скорости движения воздуха СД-1 термоанемометрического типа, разработанная в КНИУИ. Конструкция блока отбора инфор­ мации датчика СД-1 показана на рис. III.1.

Блок отбора информации состоит из двух сферических сегментов 1, скрепленных таким образом, что между ними имеется круговая щель для прохождения воздуха. Внутри сегментов соосно устано­ влена цилиндрическая камера 2 с чувствительным элементом 3. Цилиндрическая камера состоит из двух отсеков. Левый, в котором установлен чувствительный элемент (ЧЭ) служит для измерения, правый — для предварительной очистки воздуха от пыли. В основа­ нии цилиндрической камеры имеются отверстия 4 и 6. Через отвер­ стие 4 внутренняя полость камеры сообщается с внутренней полостью отборного устройства, а через калиброванный канал 6 в регулировоч­ ном стержне 7 — с наружной атмосферой. Отсек 5 предназначен для размещения компенсирующего сопротивления. Для измерения

скорости воздуха до 8 м/сек блок отбора информации ориентируют в пространстве так, чтобы плоскость круговой щели совпала с на­ правлением воздушного потока. Тогда часть воздушного потока, поступающая через круговую щель, вследствие увеличения про­ ходного сечения расширяется, что приводит к уменьшению скорости внутри приемного устройства. Уменьшение скорости вызывает по­ вышение статического давления. Кроме того, обтекание внешним потоком корпуса приводит к появлению дополнительного перепада давления между внешней и внутренней поверхностью корпуса. Под воздействием этих перепадов давления в цилиндрической камере возникает движение воздуха из области большего давления в область меньшего давления. При этом скорость воздушного потока, омыва­ ющего ЧЭ, изменяется по квадратичному закону при линейном изменении измеряемой скорости. Благодаря этому достигается ли­ неаризация статической характеристики термоанемометра без при­ менения специальных схем или устройств. Снижение скорости воз­ духа, которое происходит дважды — сначала при движении его в корпусе 1, а затем через правый отсек цилиндрической камеры 2, способствует осаждению пыли, в результате чего поток, омывающий ЧЭ, предварительно очищается. Осаждающаяся на внутренней по­ верхности корпуса пыль не влияет на работу датчика и спустя не­ которое время высыпается через круговую щель. Пыль, осаждаю­ щуюся в корпусе 1, легко удалить периодической продувкой через канал регулировочного стержня. Настройка датчика на тот или иной диапазон измерения производится установкой регулировочного стержня с соответствующим диаметром калиброванного отверстия. Характеристика датчика — линейная.

Блок отбора информации СД-1 может быть включен в электриче­ скую схему датчика метана ДМТ-3 вместо чувствительного элемента датчика метана при незначительных схемных и конструктивных изменениях последнего. Это позволяет значительно расширить об­ ласть применения аппаратуры АМТ-3.

По техническим требованиям ЦНИГРИ и при непосредственном участии в испытаниях и доводке датчиков сотрудников ЦНИГРИ в ВЭИ им. Ленина разработаны для непрерывного дистанционного измерения скорости движения воздушного потока два датчика — электротермоанемометр ЭТА-10 для малых скоростей и электротермо­ анемометр ЭТАМ-10 для больших скоростей. Первоначально разра­ ботка двух датчиков была вызвана трудностью создания одного датчика, пригодного для измерения скорости потока в диапазоне 0,15—2,0 м/сек, имеющего требуемую точность при всех значениях скоростей. Электротермоанемометр ЭТА-10 представляет собой ком­ плект аппаратуры для непрерывного дистанционного измерения скорости воздушного потока в рудничных условиях в диапазоне 0,15—21 м/сек. Погрешность регистрации скорости потока ±5% . Датчик одноточечный, позволяющий удалять приемное устройство от регистрирующего прибора на расстояние до 5,0 м. Постоянная времени датчика 100—130 сек. Измеряемая скорость преобразуется

146

в напряжение постоянного тока, которое может быть зарегистриро­ вано любым потенциометром, не нарушающим выход ЭТА-10 и спо­ собным работать при сопротивлении выхода до 100 ом. Действие ЭТА-10 основано па принципах скомпенсированного по температуре электротермоанемометра в режиме постоянного тока и трубки Вен­ тури [86].

Комплект аппаратуры ЭТА-10 состоит из приемного устройства ДС с кабелем длиной 4 м, измерительного моста ИМ и регулятора тока моста РТМ. ИМ и РТМ соединены между собой четырехнроводной линией. Приемное устройство состоит из двух параллельно рас­ положенных патрубков наружным диаметром 40 мм и длиной по 240 мм, закрепленных на дюралевой двутавровой стойке. Чувстви­ тельные элементы представляют собой керамические трубки с об­ моткой из эмалированной медной проволоки диаметром 0,05 мм. Для защиты от агрессивного воздействия окружающей среды чув­ ствительные элементы покрыты специальным составом. Продольное обтекание потоком нагретых частей чувствительных элементов позво­

ный на полупроводниковых приборах, позволяющий двумя ступе­ нями (грубо и точно) регулировать ток, питающий мост. Схему из­ мерительного моста рассмотрим более подробно. Нижние параллель­ ные плечи И М образуют собой чувствительные элементы. Так как через элемент с индексом у, имеющий сопротивление 35 ом, прохо­ дит примерно вдвое больший ток, чем через элемент с индексом ш, имеющий сопротивление 70 ом, то происходит его более интенсивный нагрев, причем установившаяся температура его будет при заданном токе моста зависеть от скорости воздушного потока. На температуру же слабо нагретого элемента с индексом ш скорость потока практиче­ ски не влияет. Следовательно, напряжение в диагонали моста ИМ,

вплечи которого входят чувствительные элементы, зависит от ско­ рости потока. Температура потока непосредственно не влияет на напряжение в диагонали ИМ, так как оба чувствительных элемента изменяют свое сопротивление одинаково. Уточнение температурной компенсации может быть осуществлено настройкой переключателя «температурная компенсация», представляющего собой ступенчатый потенциометр R T к. В правое верхнее плечо ИМ включено перемен­ ное сопротивление і?бал, служащее для балансировки измеритель­ ного моста при малом токе. Для изменения доли напряжения, снимае­ мого с диагонали измерительного моста, служит регулятор чувст­ вительности /?Р-Ч, представляющий собой потенциометр, включенный

визмерительную диагональ. Блоки И М и РТ М помещены в кожухи из листовой стали и окрашены молотковой эмалью.

Электротермоанемометр ЭТАМ-10 представляет собой одноканаль­

ное измерительное устройство, предназначенное для непрерывного измерения скорости движения воздуха в рудничных условиях в пределах 0,2—20 м/сек при рабочем диапазоне 1,5—20 м/сек.

Погрешность измерения скорости в рабочем диапазоне составляет ±5% ив диапазоне 0,2—1,5 м/сек составляет ± 10%. Допустимое уда­ ление ДС с ИМ от РТ М и регистратора допускается до 3000 м. Дей­ ствие ЭТАМ-10 основано на сочетании принципов скомпенсированного по температуре электротермоанемометра с автоматической настрой­ кой тока и трубки Вентури. В приборе осуществляется непрерывное слежение тока ИМ за мгновенной скоростью воздушного потока.

Наиболее сложной частью прибора является выполненный на полупроводниковых элементах регулятор тока моста РТМ. ДС и ИМ электротермоанемометра ЭТАМ-10 конструктивно и принци­ пиально не отличаются от аналогичных блоков ЭТА-10. Семь ком­ плектов аппаратуры ЭТА-10 и шесть комплектов аппаратуры ЭТАМ-10 прошли длительные производственные испытания в условиях Дег­ тярского рудника. Испытания проводились на входящих и исходя­ щих струях эксплуатационных участков, характеризующихся весьма высокой влажностью и запыленностью воздуха, различной темпера­ турой воздушной струи, периодическим появлением газообразных продуктов взрывных работ и сернистого газа. При испытаниях опре­ деляли надежность работы аппаратуры: устойчивость нуля, стабиль­ ность показаний, соответствие показаний в шахтных условиях ла­ бораторной градуировке, инерционность датчиков, погрешность из­ мерения количества воздуха, проходящего по выработкам.

Наиболее уязвимой частью ДСДВ являются чувствительные эле­ менты, поэтому был испытан целый ряд покрытий и применена пла­ тиновая проволока вместо медной. Установлено, что наиболее целе­ сообразно применять платиновую проволоку, тем более, что незна­ чительный расход платины (примерно 0,2 г на каждый датчик) ненамного удорожает прибор. Продолжительные наблюдения за устойчивостью нуля аппаратуры показали, что отклонения соста­ вляют ±1,5% для ЭТА-10 и ±2% для ЭТАМ-10.

На рис. III.3 приведены графики записи скорости воздушного потока, зарегистрированной электротермоанемометрами ЭТА-10 и ЭТАМ-10.

Учитывая значительную сложность, а следовательно, высокую стоимость аппаратуры ЭТАМ-10, неравномерную линейность выход­ ной характеристики и небольшую постоянную времени, в ЦНИГРИ были проведены исследования по усовершенствованию датчика ЭТА-10 с целью расширения диапазона измеряемых им скоростей, а также повышения надежности, уменьшения веса, габаритов и др. Прежде всего, благодаря применению конусных насадков удалось значи­ тельно расширить диапазон измеряемых скоростей — от 0,15 до 20 м/сек. Для правильного выбора диаметра насадков было изучено их влияние на диапазон измерения. На рис. III.4 показаны графики зависимости диапазона измеряемых скоростей от диаметра насадка. Разработанный датчик получил название электротермоанемометр

№