5. POMIARY PODSTAWYCH PARAMETRÓW WENTYLACYJNYCH

Parametrami charakteryzującymi przepływ powietrza w wyro­biskach kopalnianych są: prędkość przepływu w, gęstość ρ, ciśnienie p, tem­peratura T oraz stężenia gazów w powietrzu kopalnianym. Chcąc jednak wyznaczać, w oparciu o pomiary, strumienie objętości i masy powietrza płynące wyrobiskami górniczymi konieczny jest pomiar pola przekrojów poprzecznych wyrobisk, natomiast przy określaniu składu powietrza niezbędna jest znajomość zawartości wilgoci w powietrzu.

W niniejszym rozdziale zostaną przedstawione metody pomiaru i przyrządy służące do pomiaru wyżej wymienionych parametrów.

5.1. Pomiary prędkości i strumienia objętości powietrza

Pomiary prędkości i strumienia objętości powietrza lub gazów w wyrobiskach górniczych, lutniach wentylacyjnych, w instalacjach odmetanowania, kanałach wentylatorów głównych, dyfuzorach oraz wybranych punktach lub przekrojach podziemnych urządzeń wentylacyjnych stanowią najistotniejszy czynnik bieżącej kontroli stanu wentylacji kopalni. W szczególności są one podstawą do wyznaczania:

— rozpływu powietrza w sieciach wentylacyjnych kopalń, lutniociągach lub w rurocią­gach odmetanowania,

— średnich prędkości przepływu w wyrobiskach i ich porównania z określonymi przez przepisy wartościami maksymalnymi lub minimalnymi,

— parametrów pracy wentylatorów, sprężarek, chłodziarek lub odpylaczy górniczych,

— wielkości, w których prędkość lub strumień objętości są parametrami (między innymi wskaźniki wentylacyjne dotyczące np. ilości powietrza przypadających na jednostkę wy­do­by­­cia, parametry komfortu cieplnego, emisja gazów itp.).

Pomiar strumienia objętości lub strumienia masy jest pomiarem złożonym. Do wyznaczenia strumienia objętości w przewodzie, którym może być wyrobisko kopalniane, konieczna jest znajomość średniej prędkości przepływu w w prze­kroju poprzecznym przewodu. Przy określaniu strumienia masy powietrza dodatkowo należy określić gęstość przepływających gazów ρ. Przekrój po­przeczny wyrobiska kopalnianego wybiera się prostopadle do linii naturalnej s. Wektor prędkości przepływu jest wtedy prostopadły do tego przekroju. Wielkości, od których zależą strumienie objętości i masy, są funkcjami współrzędnej s. W przypadku przepływu nieustalonego prędkość w i gęstość ρ zmieniają się w czasie. Rozważania w niniejszym rozdziale dotyczą w zasa­dzie przepływów ustalonych. W ogólności prędkość przepływu w jest funkcją położenia.

Strumień objętości przepływającego powietrza jest równy

natomiast strumień masy

Stosuje się różne metody pomiaru prędkości przepływu gazu.

W grupie metod, które polegają na określeniu prędkości średniej, w celu wyznaczenia strumienia objętości mnoży się pomierzoną wartość prędkości w przez pomierzone pole przekroju A, a więc

Strumień masy będzie równy

(5.1)

Inna grupa metod polega na podzieleniu powierzchni A na. n części i wyznaczeniu pól A_i (i = 1,2,..., n) oraz, drogą pomiaru punktowego, prędkości przepływu w_i przez każdą z tych części.

Strumień objętości jest wówczas równy

i = 1,2,..., n

a strumień masy wynosi

i = 1,2,..., n

Zwykle przyjmuje się
i wtedy

(5.2)

Pomiar średnich i dużych prędkości przepływu (tj. prędkości większych od 0,5 m/s) w wyrobiskach górniczych nie nastręcza większych problemów i można uzyskać dostatecznie dokładne wyniki pod warunkiem zastosowania właściwej metody i odpowiednich narzędzi pomiarowych.

Natomiast pomiar małych prędkości średnich, w trudnych warunkach kopalnianych, przy niejednorodnych polach prędkości stanowi duży problem i przy użyciu obecnie stosowanych przyrządów na ogół nie może być wykonany z zadowalającą dokładnością.

Prędkość przepływu w wentylacji kopalń podaje się najczęściej w m/s, m/min, a niekiedy w cm/s. Zachodzą zależności

100 cm/s = l m/s = 60 m/min

Czasami przyrządy do pomiaru prędkości (anemometry) mają skale opisane w jednostkach anglosaskich in/s. ft/s, yd/s. Zachodzą przy tym następujące związki:

l m/s = 39,3701 in/s = 3,28082 ft/s = 1,09361 yd/s

Strumienie objętości lub masy podaje się w następujących jednostkach: m³/s, m³/min, m³/h, l/min = 10~³m³/min, kg/s, kg/min, kg/h

Czasami, np. w odniesieniu do komór podziemnych, podaje się objętość lub masę powietrza przepływającego w jednostce czasu (zwykle l h) przez pomieszczenie górnicze jako krotność jego objętości, czyli tzw. liczbę wymian powietrza w tym czasie.

W niniejszym podrozdziale zostaną omówione metody pomiaru pręd­kości średniej w przekroju wyrobiska oraz przyrządy do pomiaru prędko­ści chwilowej i średniej w czasie, tj. anemometry, rurki spiętrzeniowe, prze­pływomierze do pomiaru strumienia objętości, a także metody i przyrządy do określenia pola przekrojów poprzecznych wyrobisk (profilometry).

1. Pomiar prędkości średniej

Podczas określania prędkości średniej w przekroju wyrobiska, w przypadku przepływu ustalonego, najczęściej stosuje się metody trawersu ciągłego lub punktowego. Metod tych nie można stosować w pomiarach przepływów nieustalonych.

Prędkość przepływu powietrza zmienia się w przekroju i najczęściej jest największa w okolicach środka wyrobiska i maleje w kierunku jego ścian, co można zaobserwować na rys 5.1. Dlatego też dla wyznaczenia prędkości średniej trzeba stosować odpowiednie metody pomiarowe.

Rys.5.1. Rozkład prędkości powietrza w przekroju poprzecznym wyrobiska rurociągu

Rys.5.1. Rozkład prędkości powietrza w przekroju poprzecznym wyrobiska

1. Metoda trawersu ciągłego. Do pomiaru używa się wszelkiego rodzaju anemometrów, które mają możliwość pomiaru prędkości w pewnym przedziale czasu. W anemometrach z mechanizmem zegarowym (tzw. anemometry skrzydełkowe, sumujące, automatyczne), które są najczęściej używane przez służby wentylacyjne kopalń, czas ten zazwyczaj wynosi 60 s.

W metodzie tej pomiar polega na obwodzeniu (trawersowaniu) anemometrem sumującym po przekroju wyrobiska. Obwodzić anemometrem należy ze stałą prędkością np. jednym z przedstawionych na rys. 5.2. i 5.2a sposobów. Sposób obwodzenia przekroju wyrobiska może być dowolny, jednak musi spełniać zasadę, że „anemometr w czasie obwodzenia powinien przebywać jednakowo długo w każdym punkcie przekroju wyrobiska”.

W metodzie tej należy uwzględnić poprawkę na sposób pomiaru wynikającą z faktu, że mierzący zasłania w czasie pomiaru część przekroju lub zakłóca przepływ stojąc zbyt blisko miejsca pomiaru. Wyróżnia się dwa sposoby pomiaru:

1. „przed sobą” - mierzący trzymając anemometr w wyciągniętej ręce obwodzi nim po przekroju stojąc twarzą do kierunku napływającego powietrza. Stojąc tuż za mierzonym przekrojem zakłóca przepływ powietrza. Według W. B. Komarowa poprawka w tym przypadku powinna wynosić średnio k = 1,14, przy czym wydaje się, że powinna maleć w miarę wzrostu przekroju poprzecznego wyrobiska.

2. „w przekroju” - mierzący stojąc w przekroju zwrócony plecami do ociosów wyrobiska obwodzi anemometrem przez co zasłania sobą część przekroju. Wielkość poprawki wyznacza się z zależności

(5.3)

w której

A - pole przekroju poprzecznego wyrobiska, m²,

0,4 - średnia powierzchnia zasłaniana przez osobę wykonującą pomiar.

Wielkość popełnianego błędu w zależności od sposobu pomiaru przedstawiono w tab. 5.1. Wynika z niej, że jeśli mierzący będzie stał w odległości co najmniej 1,5 m od miejsca pomiaru (np. trzymając anemometr na wysięgniku) to poprawkę z uwagi na sposób pomiaru można pominąć.

Rys.5.2. Metody trawersowania ciągłego

1. - równoległa, b) - zygzakowa, c) - równoległa uproszczona

Rys.5.2a. Methods of measuring velocity in mine airways

Tablica 5.1. Błąd pomiaru anemometrem skrzydełkowym w zależności od metody pomiaru

Odległość anemometru od mierzącego m	Pole przekroju A, m^2
		6,5	8,5	11	6,5	8,5	11
		Błąd pomiaru prędkości średniej, %
		pomiar pod prąd			pomiar z prądem
		(anemometr przed sobą)			(anemometr w przekroju)
0,3	38	43	42	13	18	14
0,6	17	18	17	7	8	7
1,0	8	10	8	4	4	4
1,2	5	4	4	3	3	3
1,5	2	2	2	2	2	2

Dla wyznaczenia prędkości średniej powietrza w przekroju poprzecznym wyrobiska metodą trawersu ciągłego wykonuje się 5 pomiarów. Każdy z 5 odczytów na przyrządzie (anemometrze) powinien być w pierwszej kolejności skorygowany zgodnie z charakterystyką cechowania przyrządu użytego do pomiarów, a następnie należy uwzględnić poprawkę wynikającą ze sposobu pomiaru. Z 5 pomiarów dwa skrajne odrzuca się, a z trzech środkowych wylicza się średnią arytmetyczną, która jest szukaną wartością prędkości średniej powietrza.

Przykład 5.1.

Ile będzie wynosił strumień objętości powietrza w wyrobisku o przekroju poprzecznym A = 6,2 m², jeśli do pomiaru prędkości średniej zastosowano metodę trawersu ciągłego, wykorzystując sposób pomiaru „w przekroju”.. Wykonano 5 pomiarów odczytując na anemometrze skrzydełkowym sumującym automatycznym wartości: w₁ = 188 m/min, w₂ = 193 m/min, w₃ = 185 m/min, w₄ = 180 m/min, w₅ = 186 m/min. Równanie charakterystyki anemometru ma postać

w_rz = 0,975/60⋅ w + 0,18

gdzie: w_rz - zmierzona anemometrem prędkość powietrza, m/s,

w - prędkość odczytana z przyrządu, m/min.

Uwzględniając charakterystykę anemometru oraz poprawkę wynikającą z metody pomiaru otrzymujemy:

w₁ = (0,975/60⋅ w + 0,18) × (A-0,4)/A = (0,975/60×188+0,18) × (6,2-0,4)/6,2 = 3,03 m/s,

w₂ = (0,975/60⋅ w + 0,18) × (A-0,4)/A = (0,975/60×193+0,18) × (6,2-0,4)/6,2 = 3,10 m/s,

w₃ = (0,975/60⋅ w + 0,18) × (A-0,4)/A = (0,975/60×185+0,18) × (6,2-0,4)/6,2 = 2,98 m/s,

w₄ = (0,975/60⋅ w + 0,18) × (A-0,4)/A = (0,975/60×180+0,18) × (6,2-0,4)/6,2 = 2,90 m/s,

w₅ = (0,975/60⋅ w + 0,18) × (A-0,4)/A = (0,975/60×186+0,18) × (6,2-0,4)/6,2 = 3,00 m/s,

Odrzucamy pomiary 2 i 4. Średnia prędkość powietrza wynosi:

w_śr = w₁ + w₃ + w₅ = 3,03 + 2,98 + 3,00 = 3,0 m/s

Strumień objętości powietrza wynosi:

= 3,0 × 6,2 = 18,6 m³/s.

2. Metoda trawersu punktowego

W metodzie tej dzieli się przekrój poprzeczny wyrobiska za pomocą drutu lub sznurka na elementarne pola, najlepiej na równe i zwarte pola (rys 5.2 a,b). Liczba pól na które dzielimy wyrobisko chodnikowe jest zależna od pola przekroju poprzecznego wyrobiska. Zaleca się żeby powierzchnia pola elementarnego nie przekraczała 0,5 m².

W środku każdego pola mierzymy anemometrem prędkość w_i powietrza.

Prędkość średnią powietrza dla przypadku podziału przekroju poprzecznego wyrobiska na różne pola elementarne wyznacza się z zależności

(5.4)

natomiast gdy podziału dokonamy na równe pola wzór te przyjmie postać

(5.5)

gdzie n - liczba pól na które podzielono przekrój wyrobiska,

w_i - prędkość powietrza w środku i- tego pola elementarnego, m/s,

A_i - powierzchnia pola elementarnego, m².

Rys.5.2. Metody trawersu punktowego

a, b) - sposoby podziału na pola cząstkowe, c) - podział na pola przewodu kołowego

Do pomiarów prędkości powietrza w środku pola elementarnego wykorzystuje się anemometry mierzące prędkość chwilową lub anemometry sumujące, przy czym anemometr sumujący w trakcie pomiaru przemieszcza się między poszczególnymi polami tak, aby czas pomiaru prędkości w środku danego pola wynosił np. 5 lub 10 s.

Metodę trawersu punktowego stosujemy również do pomiarów prędkości średniej w przekrojach kołowych (np. rurociągach, lutniociągach itp.). W tym celu przekrój dzielimy wirtualnie na równe pola (rys.5.2c). W tym celu korzystamy z zależności na promień środka k- tego pola

(5.6)

gdzie

R - promień rurociągu, m,

n - liczba pierścieni,

k - numer kolejnego pierścienia.

Pomiarów prędkości w środku każdego z pól dokonuje się wzdłuż dwóch prostopadłych średnic, w punktach przecięcia tych średnic z okręgami przechodzącymi przez środek każdego z pól, jak to pokazano na rys.5.2c.

Przy powiększeniu liczby pól, na jaką dzieli się powierzchnię przekroju poprzecznego przewodu, wzrasta dokładność określenia prędkości średniej. Jeśli w przewodach o przekroju kołowym występuje nierównomierny rozkład prędkości, ciśnienie dynamiczne mierzy się w dwóch wzajemnie prostopadłych osiach przekroju poprzecznego. W praktyce stosuje się różne sposoby rozmieszczenia punktów pomiarowych dla przewodów wentylacyjnych o przekroju kołowym lub prostokątnym.

W przypadku przewodów o przekroju kołowym, rozłożenie punktów pomiarowych na średnicy nie jest równomierne i trzeba je każdorazowo wyliczyć zgodnie z zależnością (5.6). Pomiary wykonuje się na dwóch prostopadłych średnicach.

Sposób rozmieszczenia punktów pomiarowych dla przewodów kołowych o różnych średnicach przedstawiono na rys. 5.3 i 5.4.

Rys. 5.3. Rozmieszczenie punktów pomiarowych wg metody podziału na pola o równej powierzchni

Rys.5.4. Schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych w zależności od średnicy przewodów kołowych

Liczba punktów pomiarowych zależy od średnicy przewodu: dla średnic D ≤ 300 mm należy powierzchnię przewodu kołowego dzielić na 3 współśrodkowe pierścienie, zaś dla D >300 mm na pięć pierścieni. Dla średnic przewodów D ≤ 1200 mm punkty pomiarowe rozmieszcza się wzdłuż dwóch, wzajemnie prostopadłych do siebie średnic, natomiast dla D>1200 mm wzdłuż czterech średnic przesuniętych o 45°.

Do sondowania pola prędkości wzdłuż danej średnicy wykorzystuje się anemometry charakteryzujące się małymi wymiarami czujnika pomiarowego (np. anemometry cieplne) lub rurki spiętrzające, które umożliwiają pomiar ciśnienia dynamicznego, a następnie z zależności

(5.7)

gdzie: p_{d i} - ciśnienie dynamiczne w i-tym punkcie, Pa,

- gęstość powietrza, kg/m³.

wyznacza się prędkość powietrza w i -tym punkcie pomiarowym.

Prędkość średnią powietrza w przekroju kołowym wyznacza się z zależności (5.5), przy czym należy pamiętać, że w każdym polu elementarnym mierzymy prędkość w czterech punktach i musimy wyznaczyć z nich średnią lub uwzględnić ten fakt we wzorze (5.5).

W przypadku kanałów prostokątnych najwygodniej jest podzielić przekrój pomiarowy na pola o równej powierzchni. Zalecana liczba pól to od 16 do 64. Przez otwory wywiercone w ściance przewodu wprowadza się sondę pomiarową i mierzy prędkości w środkach wyznaczonych pól. Otrzymane wyniki należy uśrednić.

Praktyczny schemat rozmieszczenia punktów pomiarowych dla przewodów prostokątnych (kwadratowych) pokazano na rys.5.3 i 5.5.

Rys. 5.5. Rozmieszczenie punktów pomiarowych w przewodach wentylacyjnych o przekroju prostokątnym

Rozmieszczenie potencjalnych miejsc pomiaru dla przykładowej przemysłowej instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnej przedstawiono na rys. 5.8.

Rys. 5.8. Rozmieszczenie miejsc pomiarowych w przypadku kontroli stanu wentylacji przemysłowej

3. Metoda punktowa

Metoda punktowa ma zastosowanie do przewodów o przekroju kołowym. Zakłada się, że prędkość maksymalna w przekroju kołowym występuje w środku przekroju poprzecznego.

Rozkład wektorów prędkości zależy od charakteru przepływu. Dla przepływu laminarnego rozkład wektorów prędkości będzie zgodny z paraboloidą obrotową, natomiast przy przepływie turbulentnym ze spłaszczoną paraboloidą obrotową, przy czym jej spłaszczenie będzie tym większe, im większa będzie turbulencja powietrza.

Stosunek prędkości średniej do maksymalnej w danym przekroju dla przepływu laminarnego jest równy k = w_m/w_max = 0,5, natomiast dla przepływu turbulentnego k ≥ 0,75.

W wyniku przeprowadzonych badań opracowano dla przekrojów kołowych nomogram pokazujący zależność funkcyjną tego stosunku prędkości od liczby Reynoldsa (rys.5.9)

Rys.5.9. Stosunek prędkości średniej do maksymalnej w przewodzie kołowym w funkcji

liczby Reynoldsa

Tok wyznaczania prędkości średniej w tej metodzie jest następujący:

• mierzy się prędkość maksymalną w osi przewodu np. anemometrem cieplnym lub rurką spiętrzającą Prandtla (rys. 5.10), przy czym przy pomiarze rurką odczytuje się ciśnienie dynamiczne na mikromanometrze i następnie wyznacza prędkość maksymalną powietrza z zależności

(5.8)

• wyznacza się liczbę Reynoldsa z zależności

(5.9)

gdzie:

D_e - średnica ekwiwalentna przewodu, przy czym dla przekrojów kołowych D_e = D,

• - lepkość kinematyczna powietrza: ν = 15×10^-6 m²/s,

• odczytujemy z nomogramu dla wyznaczonej liczby Reynoldsa (logarytmu dziesiętnego z tej liczby) wartość stosunku prędkości średniej do maksymalnej k,

• znając wartość stosunku k oraz prędkość maksymalną wyliczamy szukaną prędkość średnią.

Rys. 5.10. Pomiar prędkości za pomocą rurki Prandtla

Przykład

W rurociągu o średnicy D = 300 mm zmierzono rurką Prandtla w środku przekroju poprzecznego (osi rurociągu) ciśnienie dynamiczne p_{d max} = 24,6 Pa. Gęstość powietrza ρ = 1,175 kg/m³. Wyznaczyć metodą punktową prędkość średnią powietrza w rurociągu.

Wyznaczamy kolejno:

• prędkość maksymalną

=
= 6,47 m/s,

• liczbę Reynoldsa

=
= 129400 lg R_e = 5,11

Z nomogramu (rys. 5.9) odczytano

= 0,835

Szukana prędkość średnia jest równa

= 0,835×6,47 = 5,4 m/s.

Uwaga: Orientacyjnie wartość prędkości średniej dla przepływu turbulentnego w przewodach wentylacyjnych można wyznaczyć przez pomiar w punkcie, gdzie mierzona prędkość odpowiada wprost prędkości średniej, przy czym punkt ten znajduje się w odległości 0,762R od osi przewodu.

4. Metoda izotach

W metodzie tej konieczne jest wykreślenie linii jednakowych prędkości (tzw. izotach) (rys. 5.11). W tym celu w wyrobisku stawia się siatkę o prostokątnych oczkach i mierzy prędkość powietrza na wysokości węzłów tej siatki.

Następnie pole prędkości odwzorowuję się na papierze i wyznacza linie równych prędkości (izotachy) zakładając przy tym, że między dwoma węzłami siatki prędkość powietrza zmienia się liniowo. Znając przebieg izotach planimetruje się pola A_i powstałe między dwoma kolejnymi izoliniami o odpowiadającym im prędkościom w_i i w_i+1.

Strumień objętości powietrza przepływający przez dowolne pole między sąsiednimi izotachami będzie więc równy

(5.10)

Rys.5.11. Metoda izotach (linii jednakowych prędkości)

Sumując wszystkie powstałe między izoliniami pola otrzymujemy strumień objętości powietrza płynący wyrobiskiem
. Znając pole przekroju poprzecznego wyrobiska można wyznaczyć prędkość średnią powietrza z zależności

(5.11)

Metoda jest pracochłonna, jednak po opracowaniu odpowiedniego programu komputerowego może być wykorzystywana w praktyce, np. przez służby wentylacyjne kopalń do pomiarów wykonywanych wielokrotnie przez całe lata w tych samych przekrojach poprzecznych wyrobisk

Znane jest bowiem prawo Murguea które mówi, że rozkład prędkości powietrza w danym przekroju poprzecznym wyrobiska jest stały, mogą zmieniać się natomiast w czasie wektory prędkości.

Stosując jednorazowo dla danego przekroju metodę izotach mamy możliwość znaleźć w nim współrzędne punktów, które odpowiadają prędkości średniej i maksymalnej, a także określić dla tego przekroju stosunek prędkości średniej do maksymalnej. Mając te informacje można znacznie skrócić czas rutynowych pomiarów wentylacyjnych, ponieważ dla pomiaru prędkości średniej wystarczy umieścić anemometr w punkcie odpowiadającym tej prędkości. Można także wykorzystać do wyznaczenia prędkości średniej wyznaczony stosunek prędkości średniej do maksymalnej. Mierzy się wtedy anemometrem (mierzącym prędkość chwilową) prędkość maksymalną przemieszczając w tym celu odpowiednio anemometr w okolicach środka przekroju.

5. Metoda siatki

Metoda polega na umieszczeniu siatki o oczkach od 2 do 2,5 mm w pewnej odległości przed przekrojem w którym wykonujemy pomiar (rys.5.12).

Rys.5.12. Metoda siatki

W efekcie działania siatki profil prędkości w pewnej odległości za siatką wyrównuje się i prędkość w całym przekroju jest stała, równa prędkości średniej. Efekt działania siatki występuje tylko w niewielkiej odległości za siatką. Dlatego pomiar powinien być wykonany

za siatką w odległości nie większej niż dwie wysokości wyrobiska np. na wysokości ¼ od stropu, jak to widać na rys.5.12.

6. Metoda pomiaru za pomocą rurek dymnych

Jest stosowana do pomiaru małych prędkości powietrza.

W metodzie tej wyznacza się w wyrobisku dwa przekroje, między którymi mierzy się czas przepływu dymu. Odległość między przekrojami dobiera się eksperymentalnie i wynosi ona najczęściej 2 do 5 m. Prędkość powietrza będzie więc równa

(5.12)

gdzie: l - droga przepływu dymu, m,

τ - czas przepływu dymów między wyznaczonymi przekrojami, s.

7. Metoda wykorzystująca tamę z okienkami

Metodę tę wykorzystuje się do pomiaru małych lub bardzo małych prędkości powietrza, najczęściej gdy zawodzą inne metody pomiaru (np. metoda z rurkami dymnymi). Sposób pomiaru ilustruje rys.5.13.

W wyrobisku, w którym prędkość powietrza nie jest mierzalna przez typowe przyrządy pomiarowe, stawia się tamę (ze szczelnej tkaniny) z okienkiem. Pomiaru prędkości powietrza dokonuje się w okienku o znanym polu, wielokrotnie mniejszym od przekroju wyrobiska. Zmierzoną wartość prędkości należy poprawić o współczynnik kontrakcji strugi w okienku. Otrzyma się w ten sposób średnią prędkość powietrza w tym wyrobisku. Dokładność metody zależy od skuteczności uszczelnienia kontaktu tamy ze ściankami wyrobiska. Chcąc częściowo wyeliminować straty powietrza buduje się w tamie dwa okienka.

Stosując oznaczenia jak na rys.5.13. bilans strumieni ma postać:

• dla jednego otwartego okienka

(5.13a)

• dla dwóch okienek

(5.13b)

Przyjmując założenie, że względne zmiany strumieni objętości powietrza przez okno nr 1 i ucieczki powietrza przez nieszczelności wywołane otwarciem okna nr 2 są jednakowe, to zachodzi zależność

(5.13c)

Układ równań (5.13a), (5.13b) i (5.13c) pozwala wyznaczyć strumień objętości powietrza płynący wyrobiskiem.

Po stosownych przekształceniach otrzymuje się

(5.13d)

Rys, 5.13. Pomiar strumienia objętości powietrza za pomocą tamy z dwoma okienkami

8. Metoda pomiaru prędkości powietrza za pomocą katatermometru

Katatermometr należy do przyrządów działających na zasadzie wymiany ciepła z otoczeniem. Jest on termometrem alkoholowym (rys.5.14) przeznaczonym do pomiaru intensywności chłodzenia organizmu człowieka przez otaczające środowisko.

Odbiór ciepła z organizmu człowieka uwarunkowany jest wspólnym oddziaływaniem prędkości przepływu, temperatury, wilgotności powietrza oraz temperatury powierzchni otaczających pomieszcze­nie. Przed wykonaniem pomiaru katatermometr należy ogrzać, najlepiej w termosie, do takiej temperatury, aby alkohol wypełniał rurkę kapilarną do 1/3 wysokości górnego zbiorniczka, następnie przyrząd umieszcza się w miejscu pomiaru i mierzy się czas opadania alkoholu pomiędzy kreskami 38 i 35°C. Średnia z tych wartości odpowiada normalnej temperaturze organizmu człowieka.

Natężenie chłodzenia wyznacza się w katastopniach (dotychczas nie wprowadzono zmiany jednostek wskaźników cieplnych warunków pracy) z zależności

(5.14)

gdzie: K - natężenie chłodzenia w katastopniach, mcal/(cm²s),

F - stała katatermometru, równa ilości ciepła wyrażonej w mcal odprowadzanej z powierzchni zbiornika o polu 1 cm^2­_, wyznaczana eksperymentalnie przez producenta, mcal/cm²,

τ - czas opadania słupka alkoholu od kreski 38 do kreski 35, s.

Chcąc przeliczyć katastopnie (mcal/(cm²s)) na jednostki z układu SI (W/m²) należy katastopnie pomnożyć przez stałą równą 41,868. Przykładowo 11 katastopni odpowiada 460,5 W/m².

Zależnie od stanu dolnego zbiorniczka katatermometru możemy mierzyć katastopnie suche (gdy zbiorniczek nieosłonięty i suchy), katastopnie wilgotne (gdy zbiorniczek owinięty zwilżonym muślinem) oraz katastopnie dla posrebrzonego zbiorniczka, wykorzystywane w pomiarach prędkości.

Między natężeniem chłodzenia wyrażonym w katastopniaeh suchych
, prędkością w i temperaturą powietrza
wyrażoną w °C zachodzą następujące empiryczne zależności obowiązujące dla suchego zbiornika katatermometru:

gdy w < 1 m/s,

(5.15)

gdy w > 1 m/s,

Gdy zbiornik przyrządu osłoni się zwilżonym muślinem, wówczas intensywność chłodzenia, wyrażona w katastopniach wilgotnych, jest ukształtowana nie tylko przez temperaturę i prędkość przepływu, lecz także przez wilgotność powietrza. Katatermometr taki służy do wyznaczania katastopni wilgotnych
.

Dla katatermometru wilgotnego zachodzą zależności

gdy w < 1 m/s,

(5.16)

gdy w > 1 m/s,

gdzie
jest temperaturą powietrza mierzoną termometrem wilgotnym w °C.

Rys. 5.14. Katatermometr

Przy zastosowaniu katatermometru do pomiaru prędkości ogranicza się wymianę ciepła przez promieniowanie pokrywając warstewką srebra zbiorniczek z alkoholem.

Do wyznaczenia prędkości służą w tym przypadku zależności:

gdy w < 1 m/s,
(5.17)

gdy w > 1 m/s,

z których po przekształceniach otrzymuje się wzory na prędkość przepływu powietrza

dla v < 1 m/s

(5.18)

dla v > 1 m/s

gdzie

- natężenie chłodzenia mierzone katatermometrem posrebrzonym,

- temperatura powietrza mierzona termometrem suchym.

Za pomocą katatermometru można mierzyć prędkość przepływu w zakresie od 0,1 do 1,5 m/s. Przyrząd może być stosowany jedynie w przypadku, gdy temperatura powietrza jest niższa od 35°C.

Przykład

Katatermometrem z posrebrzaną bańką zmierzono, że czas opadania alkoholu między kreskami 38 a 35 wynosi τ = 44,6 s. Stała katatermometru wynosi F = 455 mcal/cm². Ile wynosi prędkość powietrza jeśli odczytana na termometrze suchym temperatura ma wartość t = 24,6°C.

Wyznaczona liczba katastopni jest równa

=10,2 katastopnia = 427 W/m²

Korzystając ze wzoru (5.18) szukana prędkość powietrza wynosi

=
= 0,49 m/s.

6. Przyrządy do pomiaru prędkości powietrza

Generalnie w wentylacji kopalń do pomiaru prędkości stosuje się przyrządy zwane anemometrami. Jednak w pewnych sytuacjach, jak to podano przy omawianiu metod wyznaczania prędkości średniej, do pomiaru prędkości wykorzystuje się też inne przyrządy, np. katatermometr, rurki spiętrzające połączone w jeden układ z mikromanometrami, jak też pomiar prędkości można zastąpić pomiarem długości i czasu.

6.1. Anemometry

Anemometrami nazywamy przyrządy służące do pomiaru prędkości przepływającego powietrza. Nadmienić należy, że w przypadku pomiaru prędkości wiatru przyrządy te nazywane są wiatromierzami.

Anemometry stosowane w wentylacji kopalń powinny być odporne warunki panujące w podziemiach kopalń (zapylenie, wilgoć, wstrząsy itp.) oraz posiadać atest dopuszczający do pracy w podziemnych wyrobiskach górniczych, a także ważne świadectwo legalizacji wystawione przez laboratorium mające upoważnienie WUG do takiej działalności na rzecz górnictwa.

Podziału anemometrów można dokonywać z uwagi na wiele parametrów. Z punktu widzenia wentylacji kopalń można wyróżnić podział anemometrów z uwagi na:

• miejsce pomiaru,

• rodzaj mierzonej prędkości,

• zasadę działania.

Z uwagi na miejsce pomiaru anemometry dzielimy na ręczne i stacjonarne. W bieżącej kontroli przewietrzania kopalni wykorzystuje się aktualnie anemometry ręczne. Anemometry stacjonarne mają zastosowanie w zdalnych systemach kontroli przewietrzania i głównie instalowane są w kanałach wentylacyjnych, szybach itp.

Anemometry mogą mierzyć prędkość chwilową lub średnią. W bieżącej kontroli przewietrzania służby wentylacyjne wykorzystują prawie wyłącznie anemometry służące do pomiaru prędkości średniej. Wynika to z faktu, że do wyznaczania prędkości średniej, niezbędnej do wyznaczenia strumienia objętości powietrza w wyrobiskach górniczych, służby wentylacyjne wykorzystują głównie metodę trawersu ciągłego.

Zasada działania anemometrów oparta jest na różnych zjawiskach fizycznych. W literaturze można znaleźć opisy zasad działania wielu anemometrów. Nie wszystkie jednak z nich mają zastosowanie w dotychczasowej praktyce górniczej.

Uproszczony podział anemometrów wykorzystywanych w górnictwie może być następujący:

• anemometry dynamiczne,

• anemometry statyczne,

• anemometry cieplne (termoanemometry),

• inne.

W grupie inne umieszczono te typy anemometrów, które aktualnie nie są powszechnie stosowane w górnictwie, jednak mogą znaleźć większe zastosowanie w przyszłości.

Podział anemometrów przedstawia tabela 6.1.

Tab. 6.1. Podział anemometrów

Rodzaj	Grupa	Typ	Uwagi
dynamiczne	mechaniczne	- skrzydełkowe - czaszowe - różnicowe
		z przetwornikami	- fotoelektryczne - pojemnościowe - indukcyjne - przerywania obwodu - tachometryczne
	statyczne	wahadłowe
		sprężynowe
		wychyleniowe	- velometr
	cieplne	z grzanym drutem
		termistorowe
	inne	akustyczne
		wirowe	- Vortex
		laserowe
		ultradźwiękowe

6.1.1. Anemometry dynamiczne

Charakterystycznym elementem tych przy­rządów jest wirnik z płaskimi łopatkami zwanymi skrzydełkami lub półkolistymi czaszami. Prędkość obrotów wirnika zależy od prędkości przepływającego powietrza. Im większa prędkość powietrza tym większa liczba obrotów wirnika w jednostce czasu.

Podział anemometrów dynamicznych zależny jest od sposobu zliczania obrotów wirnika w jednostce czasu. Jak to widać w tab. 6.1 obroty wirnika można zliczać w sposób mechaniczny (za pomocą przekładni zębatych lub ślimakowych) lub za pomocą różnego typu przetworników elektrycznych.

6.1.1.1. Anemometry dynamiczne mechaniczne

Są najczęściej używanymi przyrządami do pomiaru prędkości powietrza w wyrobiskach polskich kopalń węgla, rud i soli. Z uwagi na zakres mierzonych prędkości wyróżnić można trzy modele, różniące się zakresem mierzonych prędkości:

• anemometr różnicowy (rys. 6.1) - do pomiaru małych prędkości (0,02 - 0,5 m/s),

• anemometr skrzydełkowy (rys. 6.2) - do pomiaru średnich prędkości (0,3 - 15 m/s),

• anemometr czaszowy (rys. 6.3) - do pomiaru dużych prędkości (10 - 60 m/s).

Podane wyżej zakresy mierzonych przez poszczególne typy anemometrów prędkości powietrza są orientacyjne, ponieważ produkowanych jest wiele modeli tych anemometrów, różniących się zakresami mierzonych prędkości.

Anemometr różnicowy (rys.6.1a)

Składa się z anemometru skrzydełkowego 1 oraz wentylatora 2 dmuchającego powietrze przez kanalik 3 na łopatki wirnika. Wydajność wentylatorka jest tak wyregulowana żeby przy nieruchomym powietrzu zewnętrznym wirnik anemometru obracał się z prędkością odpowiadającą przepływowi powietrza z prędkością 0,5 m/s. Ustawiając anemometr różnicowy w przepływającym powietrzu o prędkości mniejszej od 0,5 m/s (skierowany do przepływającego powietrza jak to pokazują rys.6.1 i 6.1a), licznik anemometru pokaże różnicę prędkości między prędkością powietrza wywołaną działaniem wentylatora, a powietrzem płynącym wyrobiskiem. Mierzoną prędkość powietrza wyznacza się odejmując od 0,5 wskazanie anemometru (przeliczone na m/s - jeśli anemometr wycechowany jest w m/min.). Anemometrem różnicowym można mierzyć również prędkości większe od 0,5 m/s. Wtedy nie włączamy wiatraczka i ustawiamy go w stosunku do przepływającego powietrza od strony wylotu powietrza z kanalika. 3.

Rys.6.1. Anemometr różnicowy	Rys.6.1a. Anemometr różnicowy - schemat ideowy

Rys.6.2. Anemometr skrzydełkowy model nr 5 firmy Rosenmiller	Rys.6.3. Anemometr czaszowy firmy Rosenmiller

Anemometr skrzydełkowy (rys. 6.2)

Pozwala mierzyć prędkość średnią w pewnym czasie. Anemometr skrzydełkowy posiada wirnik utworzony z płaskich łopatek wykonanych z aluminium (czasem z miki) i ustawionych pod kątem 40-45^o do kierunku przepływającego powietrza. Na łopatki wirnika działa siła naporu dynamicznego, pod wpływem której wirnik obraca się. Prędkość obwodowa łopatek zależy od prędkości przepływającego powietrza. Wiatraczek przez specjalną przekładnię mechaniczną uruchamia licznik obrotów. Prędkość średnią powietrza uzyskuje się dzieląc wskazanie licznika przez czas pomiaru. W starego typu anemometrach (tzw. nieautomatycznych) czas pomiaru mierzy się stoperem. Najczęściej czas pomiaru przyjmuje się od 0,5 minuty do co najwyżej kilku minut (często 1 minutę). Nowoczesne anemometry tego typu (tzw. automatyczne) posiadają wbudowany mechanizm zegarowy, uruchamiający automatycznie licznik obrotów na określony czas, np. 1 minutę. Ponadto anemometry tego typu mają możliwość zerowania licznika, co jest wygodne w czasie pomiarów.

Zakres mierzonych prędkości przez anemometry skrzydełkowe stosowane w wentylacji kopalń wynosi najczęściej od 0,3 do 12-15 m/s. Stosowane są jednak anemometry tego typu o innych zakresach mierzonych prędkości.

Anemometry skrzydełkowe, z uwagi na zakres mierzonych prędkości, są najczęściej stosowane w kontroli przewietrzania kopalń. Sposób pomiaru prędkości średniej takim anemometrem pokazano na rys. 6.2a.

Rys. 6.2a. Pomiar anemometrem skrzydełkowym prędkości powietrza metodą trawersu ciągłego

Anemometr czaszowy (rys. 6.3)

Służy do pomiarów większych prędkości (nawet do 100 m/s). Wirnik anemometru stanowią cztery półkuliste czasze. Na skutek różnicy oporów, jakie stawiają przepływającemu powietrzu strona wklęsła i wypukła każdej z czasz, powstaje moment obrotowy. Anemometry czaszowe z licznikami sumującymi służą do pomiaru średniej prędkości powietrza, natomiast anemometry bez liczników sumujących wskazują prędkość chwilową.

Anemometrów czaszowych używa się w górnictwie do pomiarów prędkości powietrza w kanałach wentylacyjnych oraz np. przy pomiarach wydatku wentylatorów na ich dyfuzorach.

6.1.1.2. Anemometry dynamiczne z przetwornikami

Anemometry skrzydełkowe można wyposażyć w układy do generowania sygnałów elektrycznych w postaci stałego lub zmiennego ciągu impulsów prądu lub napięcia, które są miarą prędkości przepływu.

Do generowania sygnału za pomocą wirnika anemometru stosuje się metody:

• fotoelektryczne (fotodioda rejestruje przerwania przez wirnik wiązki światła padającej z żarówki),

• pojemnościowe (rejestrowane są zmiany pojemności kondensatora po przejściu obok jego okładek skrzydełek wirnika),

• indukcyjne (wirnik napędza prądnicę prądu stałego),

• przerywania obwodu (obracające skrzydełka wirnika przez zmianę generowanej w uzwojeniu indukcji magnetycznej zrywają drgania generatora impulsów),

• tachometryczne (wykorzystują zasadę działania obrotomierzy różnych typów).

Najczęściej jednak producenci nie podają jaką zastosowali metodę zliczania obrotów wirnika. Na rys. 6.4 przedstawiono wybrane modele anemometrów dynamicznych z przetwornikami elektrycznymi.

Rys. 6.4a. Anemometr z przetwornikiem μAS3 Zakres pomiarowy 0.2 - 20 m/s	Rys. 6.4b. Anemometer Kestrel 4000 Zakres pomiarowy 0.25 - 30 m/s

Rys. 6.4c. Anemometr AV2 Zakres pomiarowy 0.25 - 30 m/s	Rys. 6.4d. Anemometr LCA6000VT Zakres pomiarowy 0.25 - 30 m/s

6.1.2. Anemometry statyczne

Anemometry statyczne działają na zasadzie wychylenia specjalnie zamocowanych płytek lub ugięcia elementów sprężystych. Można je podzielić na:

• wahadłowe,

• sprężynowe,

• wychyleniowe.

Zasadę ich działania przedstawiono na rys.6.5.

Rys.6.5. Anemometry statyczne

a - anemometr wahadłowy Wilda, b - anemometr spreżynowy, c - anemometr wychyleniowy (Velometr)

Anemometry wahadłowe nie znalazły zastosowania w górnictwie, stosuje się je najczęściej jako wiatromierze. Anemometr wahadłowy przedstawiono na rys. 6.6.

Rys. 6.6. Anemometr wahadłowy

W górnictwie znalazły natomiast zastosowanie anemometry wychyleniowe. Przedstawicielem tego typu anemometrów jest velometr (rys. 6.7)

Rys. 6.7a. Velometr firmy AEI	Rys. 6.7b. Velometr firmy AEI z wyposażeniem
Rys. 6.7c. Velometr firmy ALNOR	Rys. 6.7d.
Rys. 6.7e.	Rys. 6.7f.

Zasada działania velometru polega na wychylaniu ruchomej i specjalnie wyprofilowanej płytki przez strumień przepływającego przez przyrząd powietrza. W celu zwiększenia zakresu mierzonych prędkości otwór wlotowy powietrza przesłania się specjalnymi dyszami, jak to widać na rys. 6.7a i 6.7e. Pomiar velometrem wykonuje się trzymając go boczną ścianką do kierunku przepływającego powietrza, jak to pokazano na rys. 6.7f. Przyrząd mierzy prędkość chwilową. Poza pomiarem prędkości velometrem można mierzyć różnice ciśnień w sposób przedstawiony schematycznie na rys. 6.5c.

6.1.3. Anemometry cieplne (termoanemometry)

W anemometrach cieplnych wykorzystuje się zjawisko chłodzącego działania strumienia powietrza na specjalny czujnik nagrzewany prądem elektrycznym do określonej temperatury. Jako czujniki wykorzystuje się spiralki metalowe lub termistory.

Zasadę działania termoanemometru przedstawia rys. 6.8 i 6.9a.

Rys. 6.8. Zasada działania anemometru (przepływomierza) cieplnego

Termorezystor
(rys. 6.8) włączony w układ mostka, ogrzewany jest prądem elektrycznym przepływającym przez niego i jednocześnie chłodzony przepływającym obok niego powietrzem. Przy braku natężenia przepływu temperatura termorezystora ma wartość powyżej temperatury otoczenia. Przepływający czynnik powoduje obniżenie temperatury termorezystora, co spowoduje zachwianie stabilności mostka. Te zmiany możemy obserwować mierząc napięcie przy stałej wartości prądu lub przyrost prądu potrzebnego do stabilizacji temperatury termorezystora. Zmiany napięcia lub prądu przeskalowuje się na wartość prędkości przepływającego powietrza.

Wychładzanie termorezystora zależy jednak od temperatury przepływającego powietrza. Jeśli termoanemometr ma mierzyć prędkości powietrza o zmiennej temperaturze, to konieczna staje się modyfikacja układu pomiarowego o kompensację temperatury. W tym celu wykorzystuje się dwa czujniki, z których jeden osłania się, żeby uniezależnić go od prędkości przepływającego powietrza. Schemat termoanemometru z kompensacją temperatury pokazano na rys. 6.9b.

Rys. 6.9. Zasada działania termoanemometru

1. bez kompensacji temperatury

2. z kompensacją temperatury

Konstrukcję czujników z grzanym drutem pokazano na rys. 6.10.

Rys.6.10. Sondy termoanemometru

Oprócz termoanemometrów z grzanym drutem stosuje się też termoanemometry z czujnikami termistorowymi (rys. 6.11).

Rys.6.11. Termoanemometr termistorowy

W górnictwie rzadko stosuje się termoanemometry przenośne. Przyrządy tego typu znalazły zastosowanie w automatycznych systemach kontroli przewietrzania. Rozwiązania górniczych termoanemometrów przedstawiono na rys. 6.12.

Rys. 6.12. Górniczy termoanemometr ATM 689

6.1.4. Anemometry wykorzystujące inne zasady działania

W budowie anemometrów wykorzystuje się, oprócz wyżej przedstawionych, wiele innych zjawisk fizycznych. Poniżej zostanie przedstawionych kilka rozwiązań stosowanych czasem w górnictwie.

6.1.4.1. Anemometr akustyczny

Zasada działania anemometru akustycznego polega na pomiarze czasu t przelotu sygnału akustycznego między nadajnikiem a odbiornikiem na określonej drodze L w powietrzu płynącym z prędkością v (rys. 6.13).

Rys. 6.13. Zasada działania anemometru akustycznego

N - nadajnik O - odbiornik

Prędkość rozchodzenia się sygnału akustycznego w powietrzu nieruchomym wynosi
. Czasy przelotu sygnału akustycznego zgodnie ze zwrotem wektora prędkości ruchu powietrza oraz przeciwnie do przepływu wynoszą odpowiednio

(6.1)

Wzór na prędkość przepływu ma więc postać

(6.2)

Ponieważ t₂ + t₁ = const, przeto prędkość przepływu jest wprost proporcjonalna do różnicy czasu wynikającej z różnicy prędkości propagacji sygnału akustycznego. Ten typ anemometru znalazł zastosowanie w górnictwie pod nazwą AU-l.

6.1.4.1. Anemometr ultradźwiękowy

Zasadę działania takiego anemometru przedstawiono na rys. 6.14.

Rys. 6.14. Zasada działania anemometru ultradźwiękowego

W anemometrach tego typu wykorzystuje się zjawisko Dopplera. Odbierana częstotliwość drgań (w tym przypadku akustycznych) jest większa przy zbliżaniu się źródła drgań do obserwatora, a mniejsza przy oddalaniu. Następuje zmiana odczuwalnej wysokości dźwięku przy wzajemnym przemieszczaniu się źródła dźwięku i odbiorcy.

Drgania ultradźwiękowe odbierane są przez dwa odbiorniki umieszczone w tej samej odległości od nadajnika. Sygnały otrzymane z odbiorników są przesunięte w fazie. Wartość tego przesunięcia zależy prędkości rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku.

Przepływomierze te nie wprowadzają spadków ciśnienia w rurociągu.

Inny model anemometru ultradźwiękowego pokazano na rys. 6.15. Różni się on tym, że zastosowano dwa czujniki (nadajniko-odbiorniki) umieszczone w ściankach kanału, przez co nie są narażone na działanie przepływającego medium, którym np. mogą być gorące gazy spalinowe lub powietrze kopalniane o dużej wilgotności. Przyrząd rejestruje średnią prędkość powietrza pod kątem 45° do osi kanału (wyrobiska), jak to widać na rys. 6.14) i przelicza na prędkość średnią wzdłuż kanału (wyrobiska).

Rys. 6.15. Ultradźwiękowy miernik prędkości przepływu gazu firmy MultiVision G typ 101

Przenośny model anemometru ultradźwiękowego pokazano na rys. 6.16.

	Zastosowana w UA30 metoda pomiarowa oparta jest na technice ultradźwiękowej. Metoda ta stosowana dotychczas w pomiarach dynamicznych cieczy, została przystosowana przez firmę AIRFLOW do pomiarów prędkości powietrza i nieagresywnych gazów. Zastosowana głowica pomiarowa składa się z trzech sond słupkowych pomiędzy którymi przesyłana jest sekwencyjnie fala dźwiękowa z częstotliwością 3840 razy na sekundę. Czas w którym dźwięk pokonuje dystans między poszczególnymi sondami głowicy jest precyzyjnie mierzony, natomiast oprogramowanie przyrządu wylicza rzeczywistą wartość prędkości powietrza z uwzględnieniem prędkości teoretycznej na poziomie 340,3 m/s oraz współczynników korekcyjnych. Dzięki zastosowaniu takiej metody, dokładność pomiaru nie zależy od zmian temperatury, ciśnienia barometrycznego, wilgotności względnej powietrza oraz jego gęstości. Pozwala ona także na wyeliminowanie konieczności okresowych rekalibracji przyrządu (fabryczna kalibracja przy wykorzystaniu anemometru laserowego Dopplera jest jednorazową czynnością nie wymagającą późniejszych powtórzeń).
Rys. 6.16. Anemometr ultradźwiękowy UA- 30. Zakres pomiarowy 0- 30 m/s.

6.1.4.2. Anemometr wirowy typu Vortex

W anemometrach typu Vortex wykorzystuje się zjawisko zrzucania wirów z pobocznicy walca lub pręta umieszczonego w przepływie (rys. 6.17). Wiry zrzucane są na przemian, w regular­nych odstępach czasu i tworzą tzw. ścieżkę wirów Karmana.

Częstotliwość zrzucania wirów zależy od prędkości v_w przemieszczania wirów i odległości l między nimi

(6.3)

Rys. 6.17. Zasada działania anemometru typu Vortex

Prędkość przepływającego powietrza v liniowo zależy od częstotliwości zrzucania wirów i wyznacza się ją z zależności

(6.4)

gdzie d - średnica pręta,

Sr - liczba Strouhala wyznaczana ze stosownych nomogramów.

Odległość l między zrzucanymi wirami w praktyce jest trudna do zmierzenia. Dlatego też częstotliwość zrzucania wirów wyznacza się przez pomiar wahań ciśnienia w punktach c (rys. 6.17).

6.2. Cechowanie anemometrów

Każdy przyrząd do pomiaru prędkości stosowany w górnictwie (i nie tylko) powinien mieć aktualny dokument legalizacyjny (krzywą cechowania). Instytucje które dokonują legalizacji przyrządów dla zakładów górniczych oraz czasokres ważności badań legalizacyjnych określa WUG. Okres ważności badań legalizacyjnych dotyczy przyrządów normalnie eksploatowanych, natomiast przyrządy, które w czasie pomiarów uległy uszkodzeniu, powinny być niezwłocznie poddane badaniom legalizacyjnym.

Cechowania anemometrów dokonuje się w tunelach aerodynamicznych lub specjalnie do tego celu wykonanych stanowiskach. Na rys 6.18 pokazano schemat prostego stanowiska do cechowania anemometrów. Składa się ono z trzech zasadniczych części: statywu, pionowego wału i ramienia do mocowania przyrządów.

Rys.6.18. Statyw do cechowania anemometrów

Po zamocowaniu przyrządu na ramieniu, w znanej odległości od osi obrotu, obracamy wałem powodując przemieszczanie się przyrządu względem nieruchomego powietrza. Prędkość powietrza jaką powinien wskazać anemometr można wyznaczyć z zależności

(6.5)

gdzie:

r - odległość anemometru od osi obrotu,m

τ - czas obracania anemometru wokół osi, min,

n - liczba obrotów anemometru wokół osi w ciągu minuty.

Zaleca się przy cechowaniu anemometrów stosować następujące prędkości obrotu wału:

60 m/min - dla anemometrów skrzydełkowych,

12 m/min - dla anemometrów różnicowych.

Cechowanie anemometru polega na umieszczeniu przyrządu na ramieniu w dwóch znanych odległościach, wykonaniu odpowiedniej ilości obrotów wału w ciągu minuty i odczytaniu ich wskazań.

Tok wyznaczania równania charakterystyki cechowania anemometru pokazano na poniższym przykładzie.

Przykład

Obracając wał statywu do cechowania anemometrów z prędkością 60 obrotów na minutę odczytano po upływie 1 minuty następujące wartości obrotów m na liczniku anemometru:

m₁ = 216 1/min przy r₁ = 0,125 m,

m₂ = 452 1/min przy r₂ = 0,250 m,

Wyznaczyć równanie charakterystyki cechowania anemometru.

Z zależności (6.5) dla n = 60 1/min otrzymujemy:

= 0,785 m/s,

= 1,570 m/s.

Przyjmując liniową postać równania charakterystyki cechowania anemometru można napisać:

Rozwiązując otrzymany układ równań uzyskano:

a = 0,19 w_r = 0,05

Równanie charakterystyki cechowania anemometru ma więc postać:

m/s.

Najdokładniej cechuje się anemometry w specjalnych tunelach aerodynamicznych, charakteryzujących się tym, że w ich części pomiarowej można dokładnie zadać żądaną prędkość powietrza. Wstawiając badany anemometr do części pomiarowej tunelu porównuje się wskazania anemometru z prędkością powietrza w tunelu i na tej podstawie wykreśla charakterystykę cechowania anemometru oraz wyznacza równanie tej charakterystyki.

Przykładowe konstrukcje tuneli aerodynamicznych, służących do cechowania anemometrów, pokazano na rys. 6.19 - 6.21. Tunele te mogą być budowane zarówno z otwartym (rys. 6.19-6.20), jak i zamkniętym (rys. 6.20-6.21) obiegiem powietrza.

Rys. 6.19. Mini tunel do cechowania anemometrów

Rys. 6.20. Tunel do cechowania anemometrów z otwartym i zamkniętym

obiegiem powietrza

Rys. 6.21. Tunel do cechowania anemometrów z zamkniętym

obiegiem powietrza

6.3. Stacje pomiarowe powietrza

Pomiary prędkości powietrza w celu wyznaczenia strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalni wykonuje się w odpowiednich stacjach pomiarowych. Wymagania dotyczące stacji pomiarowych zawarte są w normie PN-G-06102:1996.- Podziemne wyrobiska zakładów górniczych. Stacje pomiarowe powietrza. Wymagania.

Stację pomiarową stanowi zwężona część prostoliniowego odcinka wyrobiska, wyłożona np. deskami (rys. 6.22). Zwężenie przekroju powoduje wyrównanie profilu prędkości, tym korzystniejsze, im mniejszy jest iloraz pól A_s/A. Długość stacji L powinna spełniać warunek

L < (2-3) h

gdzie h jest wysokością stacji. Na końcu stacji powinna być wykonana wnęka dla mierzącego.

Rys.6.22. Stacja pomiarowa powietrza a - widok z boku, b - widok z góry

Przeważnie jednak stacje pomiarowe powietrza zakłada się w prostoosiowych odcinkach wyrobisk, bez wykonywania jakichkolwiek przewężeń, przy czym początek stacji pomiarowej

powinien być zlokalizowany co najmniej:

• 5 m za rozgałęzieniem, skrzyżowaniem lub zakrętem,

• 15 m za tamą regulacyjną lub wentylatorem pomocniczym.

Długość stacji pomiarowej powietrza powinna wynosić co najmniej 5 m. Na stacji pomiarowej powinna być odpowiednia tablica pomiarowa (rys. 6.23), przeznaczona do zapisywania wyników pomiarów.

Rys.6.23. Tablica pomiarowa

Lokalizacja stacji pomiarowych powietrza w kopalni wynika z przepisów górniczych. Powinny one być wykonane:

• w przekrojach dopływu i wypływu poziomów wydobywczych i wentylacyjnych,

• w przekrojach dopływu i wypływu rejonowych prądów wentylacyjnych,

• w innych miejscach ustalonych przez właściwy OUG.

W stacjach pomiarowych powietrza pomiary wykonuje się w kopalniach metanowych raz w miesiącu, natomiast w kopalniach niemetalowych - raz na kwartał i dokumentuje w książce przewietrzania.

6.4. Przepływomierze

Omówione do tej pory anemometry mogą być wykorzystywane do pomiaru strumienia objętości, jednakże wyznaczenie tego parametru z dużą dokładnością jest pracochłonne. Bezpośrednio strumień objętości mierzy się za pomocą przepływomierzy. Przyrządy te znalazły powszechne zastosowanie do pomiaru strumieni objętości lub masy w różnego rodzaju rurociągach (wodnych, przeciwpożarowych, odmetanowania itp.)

Do najczęściej używanych przepływomierzy należą zwężki pomiarowe i rotametry.

6.4.1. Zwężki pomiarowe

Zamontowanie zwężki w rurociągu powoduje powstanie na niej spadku ciśnienia. Wykorzystując pokazany na rys. 6.24 rozkład ciśnień na zwężce pomiarowej strumień objętości powietrza wyznacza się z zależności

(6.6)

gdzie:

m - moduł zwężki równy

(6.7)

A₂ - pole przekroju poprzecznego zwężki o średnicy d, m,

A₁ - pole przekroju poprzecznego rurociągu o średnicy D, m,

ρ - gęstość powietrza, kg/m³.

Rys. 6.24. Zwężka pomiarowa do wyznaczania strumienia objętości (wydatku) powietrza

a - schemat układu, b - wykres ciśnienia wzdłuż osi zwężki

Wzór (6.7) nie uwzględnia faktu, że najmniejsze pole przekroju poprzecznego strumienia występuje za zwężką (d_min). W związku z tym do wzoru zwężkowego wprowadza się liczbę przepływu
, uwzględniającą jednocześnie moduł zwężki m i wspomniane zwężenie strugi, a także przy przepływie gazów należy uwzględnić liczbę ekspansji
, uwzględniającą zmianę jego gęstości podczas przepływu przez zwężkę. Ostatecznie wzór (6.6) przyjmuje postać

(6.8)

Na rys. 6.25 pokazano różne rodzaje zwężek. Liczby przepływu i ekspansji dla tego typu zwężek wyznacza się w oparciu o normę PN-65/M-53950.

Rys. 6.25. Rodzaje zwężek pomiarowych

a) kryza ISA z pomiarem trzytarczowym, b) kryza ISA z pomiarem vena contracta, c) kryza ISA, d) dysza Venturiego, e) klasyczna zwężka Venturiego, f) kryza segmentowa, g) dopływowa zwężka pomiarowa, h) wypływowa zwężka pomiarowa, i) kryza podwójna.

1. Rotametry

Rotametry stosuje się do pomiaru małych i średnich strumieni objętości, zwłaszcza w różnego rodzaju przyrządach kontrolno-pomiarowych, instalacjach laboratoryjnych, aparatach ratowniczych itp. Zasadę działania rotametru przedstawiono na rys. 6.26.

Rotametr zbudowany jest z przezroczystej rurki stożkowej o małej zbieżności, w której zawieszony jest pływak unoszony prądem przepływającego powietrza. Wysokość podniesienia pływaka jest miarą strumienia objętości powietrza. Dla uzyskania proporcjonalnej skali wewnętrzną powierzchnię kanału wykonuje się w kształcie paraboloidy obrotowej. Cechowania rotametrów dokonuje się dla określonego zakresu pomiarowego, rodzaju płynu i temperatury.

Rys. 6.26. Zasada działania rotametru

Przykładowe konstrukcje rotametrów przedstawia rys. 6.27.

Rys. 6.27. Przykładowe konstrukcje rotametrów

7. Pomiary ciśnień i różnicy ciśnień

---