Информационно-измерительная система для поверки акустического расходомера метано-воздушной смеси

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].

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.

Рис. 1. Схема калибровочного стенда с использованием расходомеров.

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.

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.

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.