Способ контроля расхода воздуха

 

СПОСОБ КО НТРОЛЯ РАСХОДА ВОЗДУХА, основанный на излучении источником в контролируемый поток воздуха под острым углом к нему узкого пучка ультразвука и регистрации отраженного пучка ультразвука двумя приемниками, отличающийся тем, что, с целью повышения точности контроля за счет учета условий шахтных выработок, регистрируют однократно отраженный пучок на стороне излучения и в процессе регистрации непрерывно перемещают жестко соединенные между собой и разнесенные вдоль выработки приемники относительно источника до получения одинаковых сигналов из обоих приемников, а величину расхода воздуха определяют по величине расстояния от источника до середины между приемниками ультразвука.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

ВСЕСОН1311Ц1

13,: ц

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3695845/22-03 (22) 26.01.84 (46) 23.11.85. Бюл. № 43 (71) Конотопский ордена Трудового Красного Знамени электромеханический завод

«Красный металлист» и Тихоокеанский институт океанологии Дальневосточного центра АН СССР (72) А. M. Онищенко, Ю. А. Онищенко, В. П. Белоножко, Вик. П. Белоножко, И. М. Кривонос, В. А. Деняк и Н. Т. Михайлюк (53) 622.81(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 777438, кл. G 01 F 1/06, 1977.

Патент США № 2874568, кл. 73-194, опублик. 1959.

„„SU„„1193271

j5D 4 Е 21 С 35 24 G 01 F 1 66 (54) (57) СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАСХОДА

ВОЗДУХА, основанный на излучении источником в контролируемый поток воздуха под острым углом к нему узкого пучка ультразвука и регистрации отраженного пучка ультразвука двумя приемниками, отличаюи1ийся тем, что, с целью повышения точности контроля за счет учета условий шахтных выработок, регистрируют однократно отраженный пучок на стороне излучения и в процессе регистрации непрерывно перемещают жестко соединенные между собой и разнесенные вдоль выработки приемники относительно источника до получения одинаковых сигналов из обоих приемников, а величину расхода воздуха определяют по величине расстояния от источника до середины между приемниками ультразвука.

1193271

Изобретение относится к горной промышленности, а именно к способам и устройствам контроля эффективности шахтной вентиляции, и может быть использовано для построения системы автоматизации вентиляторных и калориферных установок.

Низкая точность, получаемая при использовании известных ультразвуковых расходомеров для контроля эффективности вентиляции в шахтных выработках, или невозможность их применения обусловлены специфичностью условий: выработка представляет собой отверстие с бесконечно толстыми и сильно неровными изнутри стенками, установить на которых снаружи по разные стороны выработки источник и приемники ультразвука невозможно; все устройство должно иметь 15 единый жесткий корпус и YcTBHBBëèâàòüñÿ по одну сторону выработки, что связано с правилами безопасности и тяжестью аварий от ьзрывов пыли и газа при nлохой вентиляции; при излучении в поток воздуха ультразвука под углом к потоку отраженный пучок ультразвука вдоль выработки распределен несимметрично относительно максимального значения; прн изменении состава, влажности и запыленности шахтной атмосферы сильно изменяется степень поглоще- 25 ния ультразвука при слабом изменении его скорости; в выработке имеют место значительные локальные изменения аэродинамических сопротивлений и местные завихрения воздуха, что исключает контроль в части выработки; сильные загрязнения источника и 30 приемников и значительное влияние шумов горных машин приводят к существенным изменениям сигналов с приемников ультразвука и т, и. Повысить точность при контроле эффективности вентиляции можно только при одновременном учете специфичности всех условий шахтных выработок.

Цель изобретения — повышение точнос,ти контроля за счет учета условий пахтных выработок.

На фиг. 1 показано размегцение устройст- 4О ва в шахтной выработке; на фиг. 2 — функцио аль.:ая схема устройства для контроля эффективности вентиляции в шахтных выработках; на фиг. 3 -- ход лучей ультразвука !! пгахтной выработке.

На о.,ной стороне шахтной выработки 1 45 устанавливают излучатель (источник 2)ультразвука и приемники 3 и 4 ультразвука, которые разнесены вдоль выработки относительно источника, т. е. установлены на общей прямой и не вплотную один к другому. Источник 2 и приемники 3 и 4 расположены в общем корпусе 5 устройства.

С другой стороны выработки 6 устанавливают отражатель 7 ультразвука.

Устройство для контроля расхода воздуха в шахтных выработках состоит из установленных в общем для рсего устройства корпусе 5 источника 2 и приемников 3 и 4 ультразвука, причем приемники установлены

2 на некотором расстоянии один от другого, жестко соединены между собой и установлены неподвижно на механизме 8 перемещения, который кинематически соединен с валом 9 реверсивного двигателя 10. Выходы приемников 3 и 4 соединены с входами блока 11 сравнения, выход которого соединен с входом фазочувствительного усилителя

12. К выходу фазочувствительного усилителя 12 подключеи реверсивный двигатель 10. С валом 9 реверсивного двигателя 10 соединен датчик 13 угол-код, к выходу которого подключен блок 14 индикации и регистрации.

Механизм 8 перемещения может быть выполнен, например, в виде редуктора, ведущая шестерня которого насажена на вал 9, а ведомая входит в зацепление с зубцами рейки 15 направляюгцей 16. Источник 2 ультразвука подключен к выходу генератора 17.

Реализация способа контроля эффективности вентиляции осуществляется последовательностью следующих операций.

Смонтированные в общем корпусе 5 источник 2 ультразвука, приемники 3 и 4, а также блоки 8 — 17 устанавливают на одной стороне шахтной выработки 1 в том месте, эффективность вентиляции в которой необходимо контролировать. На противоположной стороне шахтной выработки 6 устанавливают отражатель 7 ультразвука. Установка последнего по отношению к источнику 2 и приемникам 3 и 4 осушествляегся так, что отражатель 7 находится па пути узкого направленного пучка ультразвука и что этот пучок при выключенной вентиляции падает на левый край отражателя 7 (направление пучка показано сплошной линией со стрелкой, фиг. 1) под острым углом к оси выработки или к направлению движения воздуха при включенной вентиляции (направление движения воздуха показано фигурной стрелкой, фиг. 1). Чтобы уменьшить расстояние (источник 2 — приемники 3 и

4) этот угол выбирают близким к 90 (85—

89 ) .

При включенной вентиляции, когда по выработке идет воздух со средней скоростью

Vcp., пучок ультразвука, направленный от А к В, сносится потоком воздуха и он попадает в точку Е отражателя. Зеркально отраженный пучок ультразвука в направлении от Е к Q также сносится потоком воздуха и он попадает в точку Н приемников.

При включенном генераторе 17 и выключенной вентиляции, когда средняя скорость воздуха в выработке Vcp=0, пучок ультразвука из точки А (фиг. 3) излучается в направлении АВ под углом а к оси выработки. Если диаметр выработки D=AC, то BC=Dtgo.. От зеркального отражателя 7 пучок отражается под тем же углом и и попадает обратно в точку N на приемники.

Если вентиляция включена и по выработке слева направо подается воздух со сред1193271 ней скоростью V

t=Vy D(cosa) (1) пучок смещается на расстояние BE, равное

BE=tVcp=VcpVy D(сова), (2) и таким образом пучок падает на отражатель под углом ai u

a =are tg4"=агс tg((Dtg а+

+ Vcp Vy D(cos а) ) D ) (3)

По закону зеркального отражения пучок ультразвука отражается от отражателя 7 под тем же углом а и идет в направлении

Š—. Q. Время распространения t i равно

t i =EQ V„ = V> D(cosa ) . (4)

За это время под действием потока воздуха со средней скоростью Уп лучок смещается на величину QH:

QH=t1Vcp= Рс Vy D(cosn i ) (5)

Если вентиляция выключена, то пучок ультразвука попадает на приемники в точку N.

3а счет включенной вентиляции происходит смещение пучка и он попадает на приемник в точку Н. Суммарное смещение NH зависит от смегцений BE и QH, от изменения угла падения пучка на отражатель ai)a и от изменения угла отраженного лучка ai)a.

Расстояние NH=NQ+QH, расстояние

NQ=AQ — AN. В свою очередь AQ=2AF=

= — 2D tg a1. Расстояние AN=2AA1=2D tg a.

Тогда

NQ=AQ — АN=2D(tgai — tgn)=2BE. (6)

Суммарное смещение пучка составляет

NH=NQ+QH=2BE+VñpVq D(cosa ) (7)

Подставив в равенство (7) вместо BE его значение из равенства (2), получают где cos х,= созсс((з1п сс+- — ) 2+- 1) (9)

Из уравнений (8) и (9) численным методом однозначно определяется контролируемая величина V p... = 1(-Лч 1Н.0). (10)

КоэффициентЫ р1 вид зависимости (10) определяют в процессе градуировки устройства.

Устройство, реализующее способ контроля расхода воздуха в шахтных выработках. работает следующим образом.

Включают генератор 17. От источника

2 в сторону отражателя 7 направляется узкий пучок ультразвука. Отраженный от отражателя 7 пучок направляется в сторону приемников 3 и 4. При этом из приемников 3 и 4 на входы блока 11 сравнения поступают сигналы, величина которых обратно пропорциональна расстоянию от центра отраженного отражателем 7 пучка ультразвука (где его интенсивность максимальна) до центров приемников 3 и 4. При смещении центра отраженного пучка ультразвука к приемнику 3, на его выходе величина сигнала больше, чем на выходе приемника 4 и наоборот. Здесь под центром отражен5

55 ного пучка понимается положение отраженного пучка, при котором сигналы на выходах приемников 3 и 4 одинаковы, т. е. центр отраженного пучка ввиду несимметричности его распределения относительно максимального значения не совпадает с положением максимальной и нтенсивности. Для более широкого распределения интенсивности в дальнюю от источника сторону нежели в ближнюю к источнику сторону центр отраженного пучка по отношению к положению максимума интенсивности смещен в дальнюю от источника сторону.

При равенстве сигналов с приемников

3 и 4 (соответствующем сторого определенному положению отраженного от отражателя 7 пучка ультразвука на приемной стороне) выходной сигнал с блока 11 также равен нулю. В результате равен нулю и сигнал на выходе фазочувствительного усилителя 12. Реверсивный двигатель 10 при этом неподви жен.

При уменьшении скорости воздушного потока пучок отраженного ультразвука смещается к приемнику 3, сигнал на выходе которого при этом увеличивается, а сигнал на выходе приемника 4 падает. На выходе блока 11 сравнения появляется сигнал определенной полярности, под действием которого через усилитель 12 реверсивный двигатель 10 начинает вращаться против часовой стрелки, перемещая приемники 3 и 4 справа налево в сторону источника 2. При равенстве сигналов с приемников 3 и 4 двигатель останавливается, совмещая общий центр приемников

3 и 4 с центром отраженного пучка ультразвука, В процессе работы двигателя 10 соединенный с валом 9 датчик 13 угол-код вырабатывает на выходе суммарный сигнал (код), пропорциональный количеству оборотов вала 9 двигателя 10. Этот сигнал, выраженный в единицах средней скорости потока воздуха в шахтной выработке согласно уравнениям (8) и (9), индицируется и регистрируется блоком 14, в общем случае который может быть вынесен «а значительное расстояние до пульта оператора, а сигнал с датчика 13 может быть использован также для регулирования шахтной вентиляции.

При увеличении скорости воздушного потока отраженный пучок ультразвука смещается к приемнику 4. При этом сигнал на выходе последнего увеличивается, а сигнал на выходе приемника 3 уменьшается. На выходе блока 11 сравнения появляется сигнал противоположной полярности, который через усилитель 12 включает двигатель 10 на вращение в противоположную сторону.

Двигатель 10 вращается по часовой стрелке и с помощью механизма 8 перемещает приемники 3 и 4 слева направо до совмещения центра приемников с центром отраженного пучка ультразвука. При этом сигнал на выходе блока 11 сравнения становит1193271

С В F

Фиг. 5

Составитель И. Назаркина

Техред И. Верес Корректор О. Луговая

Тираж 481 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР ,по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент>, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор Н. Бобкова

Заказ 7241 32 ся равным нулю и двигатель 10 останавливается. Сигнал с датчика 13 о местоположении общего центра приемников 3 и 4 по отношению к источнику 2, являющемуся однозначной мерой средней скорости потока воздуха в выработке, индицируется и регистрируется блоком 14.

Таким образом, с помощью двигателя 10 через вал 9 и механизм 8 перемещения положение общего цейтра приемников 3 и 4 в любое время однозначно определяется средней скоростью воздуха в сечении шахтной выработки:(эффективностью вентиляции) и является однозначной мерой этой средней скорости.

На положении общего центра приемников

3 и 4 никак не сказываются ни изменения мощности генератора 17, старение излучателя 2 и приемников 3 и 4, локальные изменения аэродинамических сопротивлений и местные завихрения воздуха, загрязнения источника и приемников, влияния шумов горных машин. В способе и устройстве учтено также несимметричное распределение интенсивности отраженного ультразвука вдоль выработки, односторонняя установка всего измерительного устройства внутри выработки в общем жестком корпусе, а также исключено влияние степени погло1цения ультразвука шахтной атмосферой на результаты контроля эффективности вентиляции. На положении об1цего центра приемников сказывается лишь положение центра отраженного пучка ультразвука, которое изменяется при изменении средней скорости ультразвука Рт, на которую оказывает влияние изменение плотности, температуры шахтной атмосферы.

Температурный коэффициент изменений Vy составляет 0,6 м/с на каждый градус изменения температуры. При средней скорости ультразвука 1300 м/с относительные изменения скорости составляет 0,046% на каждый градус изменения температуры. Таким образом, изменения температуры на -10 С приводят к относительной погрешности измерения средней скорости Vcct на 0,46 отн. %.

Такая погрешность является пренебрежимо малой. Изменения плотности воздуха могут

10 быть вызваны изменениями его запыленности или влажности. Изменения запыленности от О до 500 мг/м приводят к изменениям плотности воздуха от 1,225 до

1,2255 кг/м, т. е. изменяют плотность на

0,04%. Изменение влажности воздуха при

+20 С от 60 до 100% изменяет количество воды в нем от 10 4 до 17 3 г/м, т. е. на 6,9 г/м . При плотности воздуха

1,225 кг/мз относительное изменение плотности на каждый процент изменения влажности составляет 0,014% на процент изменения влажности.

При изменении плотности на 1% скорость ультразвука в шахтной атмосфере изменяется на 0,1 %. Таким образом, при одновременном увеличении запыленности от О до

500 мг/м и увеличении относительной влажности от 60 до 100% плотность воздуха в шахте увеличивается на 0 6%. При этом скорость ультразвука, изменяется на 0,06%.

Суммарное изменение скорости ультразвука от одновременного повышения температуры на 0 С, запыленности на 0,5 г/м и влажности на 40 отн. % приводит к изменению скорости ультразвука на 1,06% т. е. суммарная дополнительная погрешность составляет 1,06 отн. %.