Pomiary prędkości przepływu powietrza

Pomiary i kontrola prędkości przepływu powietrza mają dla prawi­dłowego przewietrzania kopalni podstawowe znaczenie, szczególnie ze względu na zagrożenie metanowe w kopalni, gdyż umożliwiają one unik­nięcie nadmiernej, grożącej wybuchem koncentracji metanu, jaka wystę­puje przy spadku prędkości powietrza poniżej dopuszczalnej jego war­tości. Istnieje kilka metod oraz dziesiątki różnych przyrządów służących do pomiaru prędkości przepływu powietrza.

Ogólnie można podzielić wszystkie me­tody pomiarów prędkości na trzy grupy:

— określenie prędkości przepływu powietrza przez pomiar ciśnienia

statycznego i całkowitego,

— pomiar prędkości przepływu powietrza anemometrami,

— określenie prędkości powietrza za pomocą katatermometrów?

Określenie prędkości przepływu powietrza przez pomiar ciśnienia statycznego i całkowitego

Do pomiarów ciśnienia statycznego stosuje się najczęściej zagiętą rur­kę z zakrytym wlotem, zaopatrzoną w otwory na bocznej powierzchni. Rurkę ustawia się częścią zagiętą w kierunku przeciwnym do przepływu powietrza. Ciśnienie statyczne odbierane jest przez otwory na bocznej po­wierzchni rurki. Znane są różne odmiany rurek do pomiarów ciśnienia statycznego. Różnią się one od siebie kształtem przedniej części rurki (pół-kuliste, stożkowe) oraz liczbą, kształtem i położeniem otworów.

Do pomiarów ciśnienia całkowitego (statyczne + dynamiczne), zwane­go też ciśnieniem spiętrzenia, stosuje się zwykle rurkę zagiętą w kierunku płynącego powietrza z otwartym wlotem (rys. 12,34). Do pomiarów pręd­kości na zasadzie Pitota stosuje się rurki kombinowane (tzw. rurki Pitota), będące połączeniem w jedną całość rurki do pomiaru ciśnienia statycz­nego z rurką do pomiarów ciśnienia całkowitego. Rurki takie z końcówką stożkową noszą nazwę Brabbee, a z końcówką półkulistą — Prandtła. Pomiar rurką Pitota przeprowadza się w sposób następujący. Rurkę umie­szcza się w prądzie powietrza tak, aby otwór wlotowy rurki 1 zwrócony był w kierunku przeciw prądowi powietrza, otwory boczne rurki 2 są wtedy ustawione równolegle do kierunku przepływu. Otwory 1 i 2 połą­czone są odpowiednio z końcówkami oznaczonymi ( + ) i (-), które łączy się z kolei z manometrem mierzącym różnicę ciśnień p₁ — p w mm H₂O (tzn. w kG/m²).

Pomiar prędkości przepływu powietrza anemometrami

Podstawowymi i powszechnie stosowanymi przyrządami do pomiaru prędkości powietrza w kopalnianych sieciach wentylacyjnych są anemometry. Budowa i zasada działania anemometrów bardzo różnią się miedzy sobą. W zależności od zasady działania anemometry można podzielić na dwie grupy:

1. anemometry mechaniczne, w których pomiar prędkości następuje wskutek ciśnienia powietrza na płaską lub odpowiednio wygiętą powierzchnię,

2. anemometry, bez części wirujących, w których pomiar prędkości następuje przez wykorzystanie odpowiednich zjawisk fizycznych.

W grupie pierwszej wyróżniamy dwa typy anemometrów: anemometry statyczne (wahadłowe i sprężynowe), i anemometry dynamiczne (skrzy­dłowe i czaszowe).

Anemometry statyczne należą do najstarszych przyrządów tego typu już obecnie nie stosowanych w górnictwie. Zasadą działania anemome­trów wahadłowych (rys. 12.35 a) jest odchylenie płytki o pewien kąt w zależności od prędkości powietrza, co jest wskazywane na odpowiednio wyskalowanej podziałce kątowej. Zasadą działania anemometru spręży­nowego (rys. 12.35 b) jest ściskanie sprężyny 2 wskutek nacisku prądu po­wietrza na płytkę przytwierdzoną do tej sprężyny. Sprężyna ściskając się przesuwa wskaźnik odpowiednio wycechowanej podziałki. Anemometry statyczne były przyrządami prostymi w budowie i łatwymi w obsłudze, miały jednak szereg wad. Należy do nich zaliczyć przede wszystkim błędy odczytu, szczególnie przy pomiarach małych prędkości; powodują­cych małe odchylenie płytki.

Anemometry dynamiczne, a w szczególności anemometry skrzydełko­we, są najbardziej rozpowszechnionymi przyrządami pomiarowymi do mierzenia prędkości powietrza w warunkach kopalnianych. Zasada dzia­łania różnych typów anemometrów dynamicznych jest taka sama.

Elementem mierniczym jest wirnik skrzydełkowy lub czaszowy, obra­cający się pod wpływem ruchu powietrza. Przy określonym kącie odchy­lenia łopatek wirnika względem osi prędkość obwodowa środka ciężkości łopatki wirnika jest równa prędkości liniowej powietrza. Liczba obrotów wirnika, wyrażona w metrach na jednostkę czasu, jest zatem proporcjo­nalna do prędkości powietrza.

Ponieważ oś obrotu wirnika anemometru jest sprzężona z licznikiem obrotów pokazującym sumę obrotów wyrażoną w metrach, przeto dzieląc odczyt na liczniku przez czas trwania pomiaru otrzymuje się prędkość powietrza w m/s.

Anemometry dynamiczne mogą być wyposażone w następujące urzą­dzenia pomiarowe:

• licznik obrotów pokazujący sumę obrotów wyrażoną w metrach; w czasie przeprowadzania pomiaru konieczny jest równoczesny po­miar czasu;

• licznik z automatycznym mechanizmem zegarowym, pozwalający na bezpośredni odczyt prędkości powietrza;

• przetwarzanie prędkości obrotowej wirnika na sygnały elektryczne.

Anemometry skrzydełkowe budowane są zwykle w postaci wiatraczka osadzonego w obudowie kołowej. Ponieważ przy pracy anemometru wy­stępują opory tarcia, przeto anemometr nie wykazuje rzeczywistej pręd­kości V, lecz prędkość mniejszą V₀ Dlatego przy pomiarach należy uwzględnić poprawki wynikające tak z konstrukcji anemometru, jak i wy­stępujących oporów ruchu. Poprawki te podawane są zwykle przez wy­twórnie w postaci wykresów odpowiadających różnym typom anemome­trów. Za pomocą anemometrów skrzydełkowych można mierzyć prędkość w granicach od 0,5 do 10 m/s; dla bardzo czułych anemometrów dolną granicę prędkości można obniżyć do 0,1 - 0,2 m/s. Jednak ze względu na występujące opory tarcia zwykłe anemometry skrzydełkowe nie nadają się do pomiarów bardzo małych prędkości powietrza. Wpływy tarcia zo­stały wyeliminowane w anemometrach różnicowych. Anemometr różni­cowy jest normalnym anemometrem skrzydełkowym, pod którym zamon­towany jest mały wentylatorek o napędzie sprężynowym. Powietrze z wentylatorka działa na wirnik anemometru przez rurkę, wprawiając go w ruch jednostajny, odpowiadający prędkości powietrza 0,5 m/s. Jeżeli anemometr zostanie odpowiednio umieszczony w prądzie powietrza, to jego prędkość będzie zmniejszała prędkość obrotu wiatraczka, a różnica odczytów w obydwu przypadkach daje wielkość szukanej prędkości. Dzięki temu za pomocą anemometru różnicowego można mierzyć bardzo małe prędkości powietrza. Jeżeli zachodzi konieczność pomiaru większych prędkości za pomocą anemometru różnicowego, to nie uruchamia się wen­tylatorka pomocniczego i anemometr ustawia się tak, ażeby prąd powie­trza działał z przeciwnej strony, z której normalnie działa wentylatorek.

Do pomiaru większych prędkości powietrza, zazwyczaj od 1,0 do 50. a na­wet 100 m/s, stosuje się zwykle anemometry czaszowe, które służą do pomiarów prędkości w kanałach wentylacyjnych, u wylotu z dyfuzorów, w lutniociągach itp.

Anemometr czaszowy (rys. 12.39) ma wirnik złożony zwykle z czterech półkulistych czasz zwróconych wypukłością w kierunku obrotu. Ponad­to podobnie jak anemometr skrzydełkowy ma licznik, z mechanizmem ze­garowym lub bez, albo innej konstrukcji mechanizm pomiarowy. Pomia­ru prędkości dokonuje się nim podobnie jak anemometrem skrzydełko­wym. W górnictwie polskim i światowym stosuje się wiele różnych modeli anemometrów skrzydełkowych i czaszowych, produkowanych w różnych krajach. Niestety w Polsce, poza nielicznymi prototypami, nie produkuje się aktualnie anemometrów.

Do najczęściej stosowanych anemometrów w górnictwie polskim i świa­towym należą następujące typy anemometrów dynamicznych:

Anemometr skrzydełkowy model 5A, 6A, 5B, 6B, produkcji NRD (rys.

12,36)

Zastosowanie: do pomiaru prędkości powietrza w wyrobiskach górni­czych.

Budowa i zasada działania. W kołowej metalowej obudowie osadzony jest wiatraczek, którego oś sprzężona jest z licznikiem obrotów, pokazują­cym na tarczy sumę obrotów wyrażoną w metrach. W zależności od kon­strukcji liczniki mogą być wyposażone w urządzenia włączające i wyłą­czające oraz w kasownik pozwalający na powrót wskaźników do 0. Anemometry te mogą mieć również wmontowane urządzenia zegarowe włącza­jące i wyłączające licznik na określony czas pomiaru.

Anemometry skrzydełkowe mini-air i makro-air (rys. 12.37)

Zastosowanie: do pomiaru prędkości powietrza w wyrobiskach górni­czych.

Budowa i zasada działania. Anemometry te są najmniejszymi anemometrami skrzydełkowymi, produkowanymi seryjnie na świecie. Zasada dzia­łania tych anemometrów polega na tym, że liczba obrotów skrzydełek wir­nika jest notowana fotoelektrycznie w głowicy pomiarowej. Powstające w ten sposób impulsy elektryczne są przesyłane do układu elektronicznego, gdzie proporcjonalnie do ich częstotliwości są zamieniane na natężenie prą­du elektrycznego.

Zakres mierzonej prędkości w granicach O do 80 m/s.

Rewersyjny anemometr turbinkowy RAT-1 (rys. 12.38) Zastosowanie: do pomiaru prędkości powietrza i określenia kierunku je­go przepływu w chodnikach kopalnianych, tunelach itp. Może pracować samodzielnie lub współpracować z systemem teletransmisji w celu prze­kazywania wyników pomiarów na odległość.

Budowa i zasada działania. W rurowym korpusie umieszczony jest wir­nik ze skrzydełkami, zaopatrzony w magnes. Przepływające przez korpus powietrze powoduje obroty wirnika wraz z magnesem, który pobudza dwa kontaktrony. Kontaktrony są tak rozmieszczone, że okresy ich pobudza­nia są względem siebie przesunięte. Przy zmianie kierunku przepływu zmienia się znak kąta względnego przesunięcia okresów ich pobudzania. Układ elektroniczny na podstawie pomiaru częstotliwości przełączania kontaktronów określa wartość bezwzględną prędkości powietrza, a na podsta­wie pomiaru kierunku kąta przesunięcia względnego określa kierunek przepływu.

Dane techniczne:

Zakres mierzonych prędkości, m/s.....0.25 - 5 lub 10 -15

Dokładność pomiaru, % .....±5

Anemometr czaszowy model 16c i 16d (rys. 12.39)

Zastosowanie: do pomiarów prędkości powietrza w kanałach wentyla­cyjnych, chodnikach wentylacyjnych głównych, lutniociągach.

Budowa i zasada działania. Przyrząd zbudowany jest w postaci wia­traczka, składającego się z czterech półkulistych czasz zabudowanych na wysięgnikach. Oś obrotu wiatraczka połączona jest z licznikiem obrotów wyrażonych w metrach. Licznik może być wyposażony dodatkowo w urzą­dzenie zegarowe, włączające i wyłączające automatycznie licznik po upły­wie 100 s, oraz w kasownik pozwalający na cofanie wskazówek licznika w położenie zerowe.

Welometry typu AE (rys. 12.40)

Zastosowanie: do pomiarów prędkości w wyrobiskach górniczych w miejscach trudno dostępnych oraz w wolnym przekroju.

Budowa i zasada działania. Pomiar prędkości odbywa się na zasadzie uzyskiwania równowagi pomiędzy wolną dla przepływu powietrza częścią przekroju otworu wlotowego powietrza do przyrządu a przesłaniającą prze­krój ruchomą zastawką. Przez zastosowanie redukcji otworu wlotu powie­trza do przyrządu można uzyskać różne zakresy pomiarowe. Otwór wloto­wy welometru można połączyć przewodem elastycznym z czujnikiem, co pozwala na pomiar chwilowej prędkości powietrza nawet w miejscach trud­no dostępnych. Welometry cechują się dużą wrażliwością na zanieczyszcze­nia powietrza (pyły), które osadzając się w kanale przelotowym i na ru­chomej zastawce mogą powodować zmiany we wskazaniach welometrów. Stosując welometry należy uwzględnić poprawki dotyczące wilgotności po­wietrza i jego temperatury.

Anemometr typu 672 z fotodiodą wg Cerchar (rys. 12.41) Zastosowanie: do wykonywania precyzyjnych pomiarów punktowych przepływu powietrza.

Budowa i zasada działania. Anemometr skrzydełkowy z bardzo lekkim i czułym wirnikiem, którego łopatki w czasie obrotów przerywają perio­dycznie strumień świetlny w czujniku fotoelektrycznym. Czujnik skła­da się z żarówki elektrycznej i fotodiody. Fotodioda wysyła stałe impulsy zliczane przez licznik elektroniczny, który powoduje wychylenie wskazów­ki galwanometru, proporcjonalnie do prędkości obrotów wirnika. Przyrząd zaopatrzony jest w akumulator wystarczający do zasilania przez 10 h.

Zakres pomiaru prędkości wynosi 0,2 do 10 m/s z dokładnością do 2% długości skali.

Odrębną grupę anemometrów stanowią przyrządy, w których pomiaru prędkości dokonuje się bez udziału elementów wirujących, odchylających się lub przesuwających się pod wpływem ciśnienia powietrza. Pomiaru prędkości dokonuje się w nich przez wykorzystanie takich zjawisk fizycz­nych, jak: przewodnictwo cieplne, jonizacja powietrza i inne. Przyrządy budowane na tej zasadzie rozpoczęto stosować niedawno i nie ma ich je­szcze zbyt wiele. Z zasady buduje się je jako urządzenia stacjonarne, z mo­żliwością połączenia z rejestratorami i przekazywania wyników pomiarów na odległość oraz z wykorzystaniem ich do sterowania urządzeniami regu­lacyjnymi w sieciach wentylacyjnych.

Anemometr termistorowy typu ATM-689 (rys. 12.43) jest przeznaczo­ny do ciągłego pomiaru prędkości powietrza z możliwością rejestracji sy­gnału pomiarowego za pomocą oddzielnego rejestratora lub układu dyspo­zytorskiego.

Urządzenie działa na zasadzie przewodnictwa cieplnego z wykorzysta­niem efektu anemometrycznego. W zależności od prędkości przepływają­cego powietrza zmienia się rezystancja termistora. Anemometr ATM-689 może współpracować z metanomierzem GTM-67 na wspólny rejestrator zapisu albo z dyspozytornią metanometryczną CTT-63/40U. Może również współpracować z dyspozytorniami kopalnianymi SILEC-CERCHER i FUN-KE-HUSTER. Można go łatwo przystosować do pracy w systemie dyspozy­torskim GIG-CTT-32. Urządzenie jest iskrobezpieczne.

Dane techniczne:

Zakresy pomiarowe (z dokładnością wskazań + 3%),

m/_s...............0,2 - 2, 0,2 - 5, 0,2 - 15

Wymiary, mm............330x115x245

Masa, kg..............2,76

1

---