docx

УДК 622: 681.518.3
Пронозин Владимир Владимирович
студент группы ИС-09
Стучилин Владимир Валерьевич
доц., к.т.н.
Латыпов Дмитрий Васильевич
к.э.н.
кафедра ЭИС
Московский государственный горный университет
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ
ПОВЕРКИ АКУСТИЧЕСКОГО РАСХОДОМЕРА МЕТАНОВОЗДУШНОЙ СМЕСИ
INFORMATION MEASURING SYSTEM FOR VERIFICATION OF
ACOUSTIC FLOW METHANE-AIR MIXTURE
Основным фактором, влияющим на повышение аварийности при
добыче угля является наличие в угольных шахтах повышенной
концентрации метана. Одним из методов снижения концентрации метана в
угольных шахтах является дегазация, в том числе при помощи
дегазационных скважин. При таком методе дегазации необходимо измерять
расход метановоздушной смеси. Современное техническое обеспечение не
позволяет с достаточной точностью проводить такие измерения.
На кафедре Электротехники и информационных систем в научноучебной
лаборатории
«Информационно-измерительных
систем
обеспечения безопасности подземных предприятий» был разработан
акустический метод измерения скоростей и расходов газо-воздушных
потоков, он состоит в использовании аэроакустического взаимодействия в
цилиндрическом
волноводе-воздуховоде,
по
которому
проходит
контролируемая среда, в которой излучаются и принимаются акустические
волны [1].
Датчик (цилиндрический волновод) состоит из трубки, внутри
которой вмонтированы два пьезоэлектрических кольца, последовательно
выступающих приемником и источником акустического сигнала. Смесь,
проходящая через датчик, изменяет модовое распределение сигнала, что
ведет к изменению показаний прибора. Принцип измерения зависит от
скорости звука в измеряемой среде. Так, в воздухе скорость звука 331 м/с, в
метане 430 м/с.
Для определения скорости звука выбирают какую либо моду
отдельно от других мод и отражений, это возможно при работе датчика в
импульсном режиме, в котором источник излучает радиоимпульс —
несколько периодов синусоидального сигнала. По выделенной моде можно
узнать скорость звука, определяя разность фаз распространяющихся по и
против потока газовой смеси [1].
83
Так как повышенная концентрация метана влияет на модовое
распределение в волноводе акустического расходомера, необходимо было
проверить его работу на таких концентрациях. Для этого необходимо было
разработать информационно-измерительную систему для поверки
акустического расходомера метановоздушной смеси. В связи с тем, что
метановоздушная смесь может быть взрывоопасной, было принято
решение использовать инертный газ неон, скорость звука в котором
практически аналогична скорости в метане.
Основной целью настоящей работы является разработка
технического обеспечения для поверки работы акустического расходомера
на метановоздушной смеси. Для достижения этой цели было необходимо
провести анализ существующих схем для задания концентрации метана и
расхода газо-воздушной смеси и выбрать оптимальную схему. На данный
момент существует множество схем подачи газо-воздушных смесей. В
качестве источников расхода газо-воздушных смесей используются
баллоны со сжатым газом, воздуходувки, компрессоры, шприцы с
автоматизированным приводом и т.д. [2].
После предварительного анализа было выяснено, что наиболее
оптимальным вариантом является использование баллонов со сжатым
газом, т.к. другие схемы имеют ряд существенных недостатков, а именно:
 сложности с подачей газа;
 проблемы с регулировкой расхода и концентрации;
 высокая стоимость.
При использовании баллонов со сжатым воздухом возможно
несколько различных схем реализации системы, которые рассмотрены
ниже.
На рис. 1 представлена схема подачи газо-воздушной смеси с
регулировкой концентрации путем ручной подстройки рабочего давления с
помощью редукторов. В данной схеме возможна замена расходомеров на
манометры.
1
3
5
7
9
2
4
6
10
11
8
Рис. 1. Схема калибровочного стенда с использованием расходомеров.
84
Система схемы, которая представлена на рис. 1, состоит из
следующих частей:
1. Баллон с неоном.
2. Баллон с воздухом.
3. Клапан.
4. Клапан.
5. Редуктор.
6. Редуктор.
7. Расходомер.
8. Расходомер.
9. Смеситель.
10. Исследуемый датчик.
11. Вытяжка.
В схеме на рис. 1 на вход редукторов из баллонов со сжатыми газами
(воздухом и неоном) подается газ. При помощи редукторов возможно
регуляция концентрации газо-воздушной смеси. Далее газы поступают в
расходомеры. Расходомеры в данной схеме необходимы для определения
концентрации газо-воздушной смеси. На входы смесителя поступают
сжатые газы и после смешения подаются на вход исследуемого датчика.
1
3
6
8
4
2
5
10
7
11
12
9
Рис. 2. Схема калибровочного стенда с использованием пневмоклапанов.
Система схемы, которая представлена на рис. 2, состоит из
следующих частей:
1. Баллон с неоном.
2. Баллон с воздухом.
3. Пневмоклапан.
4. ПЛК (Программируемый логический контроллер).
5. Пневмоклапан.
6. Редуктор.
7. Редуктор.
8. Расходомер.
9. Расходомер.
10. Смеситель.
11. Исследуемый датчик.
12. Вытяжка.
85
В схеме на рис. 2 на вход редукторов из баллонов со сжатыми газами
(воздухом и неоном) подается газ. Регуляция концентрации происходит
путем регуляции скважности открытия пневмоклапанов с помощью ПЛК.
Редукторы в данной схеме устанавливают равное, максимальное давление.
На входы смесителя поступают сжатые газы и после смешения подаются
на вход исследуемого датчика.
В представленных схемах расходомеры или манометры необходимы
для определения концентрации подаваемой газо-воздушной смеси.
Для окончательного выбора оптимальной схемы использовались
следующие критерии: максимальная скорость потока (30 м/с),
максимальный расход (1108 л/мин.), минимальный расход (0.05 л/мин.),
концентрация (80-100%), общая стоимость калибровочного стенда.
Общая стоимость схемы на рис. 1 на 25-30% ниже общей стоимости
схемы на рис. 2. При многократном использовании установки можно
заменить баллон с воздухом на компрессор, баллон с неоном на установку
для генерации неона. Была выбрана первая схема установки, так как она
наиболее подходит к выбранным критериям.
Заключение.
Было разработано техническое обеспечение для поверки работы
акустического расходомера на метановоздушной смеси. Для достижения
этой цели был проведен анализ существующих схем задания концентрации
метана и расхода газо-воздушной смеси и выбрана оптимальная схема.
Литература.
1. Шкундин С.З., Буянов С.И., Румянцева В.А., Стучилин В.В.
Измеритель дебита метана в подземных дегазационных скважинах. //
Горный информационно-аналитический бюллетень. Отдельный выпуск
№1. Труды научного симпозиума «Неделя горняка-2013»
2. Гогричиани Г.В. Пневматика в машиностроении. // Техника, 1986. –
№4.
Аннотация.
В данной работе рассмотрена разработка технического обеспечения
для поверки акустического расходомера.
In this work the development of hardware for testing the acoustic
flowmeter.
Ключевые слова
метан, расходомер, метановоздушная смесь, акустический расходомер,
концентрация
methane, flow meter, methane-air mixture, the acoustic flow, concentration.
86