Автоматизированная аэрометрическая установка — метрологическое обеспечение горнорудной анемометрии
А.В.Воронцов, аспирант, МГГУ
В анемометрии шахт и рудников проблема метрологического обеспечения стоит особенно остро, так как от качества анемометрического контроля зависит безопасность горных работ и сама жизнь шахтеров. Переход к автоматизированному и автоматическому управлению проветриванием ужесточает требования к точности анемометрических измерений, подразумевает возможность частой поверки анемометров и совершенствование метрологического обеспечения анемометрии.
Отсутствие качественных (или вообще каких бы то ни было) образцовых средств в местах эксплуатации анемометров приводит к тому, что анемометрические средства в настоящее время контролируются и поверяются в основном бассейновыми отделениями Госстандарта России и НПО «ВНИИМ им. Д.И.Менделеева» (Санкт-Петербург). Удаленность этих организаций от горнодобывающих предприятий приводит к тому, что на практике анемометры не поверяются даже раз в год [1].
В тоже время требования, предъявляемые к точности современных анемометрических средств таковы, что столь редкий контроль метрологических параметров не может считаться нормой. В связи с этим назрела необходимость в создании образцового метрологического средства, размещаемого в непосредственной близости от мест эксплуатации анемометров (например, в поверхностных помещениях шахты, рудника, объединения).
Требования к этой установке вытекают из ее назначения. Она должна обеспечивать необходимую точность задания скорости потока, максимальную степень автоматизации, а также приемлемые габариты и массу для функционирования в метрологических службах шахт или объединений. Требование автоматизации весьма актуально, так как бурное развитие вычислительных средств обеспечивает реализацию недоступных ранее возможностей и избавляет оператора от рутинного труда.
Автоматизация повышает качество и точность поверки и исключает влияние так называемого «человеческого фактора». Результаты измерений хранятся в ЭВМ, что повышает удобство их обработки и хранения. Все это должно положительно сказаться на уровне и качестве метрологического обеспечения шахтной анемометрии.
Более 10 лет назад в лаборатории средств аэрологического контроля МГГУ была разработана аэрометрическая установка (АУ), представляющая собой малогабаритную аэродинамическую трубу, где в качестве образцового средства был использован акустический анемометр. Однако эта установка не отвечает сегодня вышеописанным требованиям. Установка имеет ряд недостатков, которые ограничивают ее использование в качестве современного метрологического средства. К ним относятся:
- невысокая точность задания частоты вращения вала двигателя;
- отсутствие обратной связи по скорости потока;
- необходимость ручного съема показаний;
- проблематичность поверки новых типов анемометров (акустических).
Эти изъяны обусловлены, прежде всего, моральным устареванием заложенных в ней технических решений. Сегодняшний уровень развития технологий диктует качественно новый уровень исполнения. В связи с этим потребовалась разработка новой аэрометрической установки.
Аэродинамическая схема
аэрометрической установки (АУ)
Новая АУ представляет собой аэродинамическую трубу, оснащенную образцовым анемометром и имеющую замкнутый контур обратной связи по скорости потока.
Как и любая аэродинамическая труба, АУ включает в себя источник потока (вентилятор), систему соединительных воздуховодов и рабочее пространство, в котором располагается поверяемый анемометр (рис. 1). Система воздуховодов АУ является замкнутой, что позволяет избежать влияния сквозняков и прочих спонтанных возмущений воздушного потока, вносящих дополнительную погрешность. Кроме того, замкнутая схема более экономична, так как часть энергии возвращается к вентилятору, облегчая, тем самым, режим его работы и экономя электроэнергию. Рабочее пространство представляет собой разрыв в системе воздуховодов, в который помещается поверяемый анемометр. Такая компоновка улучшает режим поверки акустических анемометров (АПА-1), так как в закрытом пространстве результаты искажаются по причине возникновения отражений акустических волн. Помимо этого, плоская эпюра скоростей, формируемая в рабочей зоне, снижает требования к точности позиционирования поверяемого анемометра.
Блок-схема аэрометрической установки представлена на рис. 2. Все элементы АУ связаны между собой электрически, механически, информационно.
Измерения производятся в системе воздуховодов, в которой размещаются эталонный и поверяемый датчики. Информация с этих датчиков поступает в компьютер, где происходит ее дальнейшая обработка и хранение.
Компьютер является основным звеном информационной цепи системы, так как к нему стекаются все показания датчиков, и он же вырабатывает управляющие воздействия для электропривода. Такая организация системы упрощает автоматизацию процесса, обеспечивает удобство работы и высокую производительность крыльчатки, которая приводится в движение электродвигателем. Электродвигатель, в свою очередь, контролируется частотным преобразователем.
Для повышения точности задания оборотов двигателя создана обратная связь по частоте вращения.
Энкодер измеряет частоту вращения вала с высокой точностью, затем эта информация поступает в частотный преобразователь и используется им для коррекции оборотов. Это классическая схема подчиненного регулирования, хорошо зарекомендовавшая себя благодаря высокому качеству управления.
Помимо локальной, организована также общая петля обратной связи, использующая в качестве сигнала показания образцового анемометра. Эта петля замыкается программно через компьютер и позволяет задавать необходимые значения скорости.
Автоматизация процесса поверки
Поверка – достаточно трудоемкий и рутинный процесс, который отнимает у оператора много времени. К тому же, при ручной поверке не исключены ошибки. Поэтому автоматизация этого процесса – весьма желательна.
Современные технические средства позволяют полностью автоматизировать данный процесс при наличии у поверяемого анемометра электрического выхода. В случае отсутствия такового поверка может происходить в полуавтоматическом или ручном режиме.
Ключевым моментом автоматизации является использование персонального компьютера (ПК). Специальная программа, разработанная для новой АУ, позволяет работать в трех режимах: автоматическом, полуавтоматическом и ручном. В автоматическом режиме поверка происходит следующим образом:
- cнимается исходная тарировочная кривая путем сканирования заранее заданной сетки скоростей (cнятие данных начинается при входе скорости воздуха в полосу допустимой погрешности);
- при входе скорости воздуха в полосу допустимой погрешности начинается cнятие данных;
- вычисляются поправочные коэффициенты;
- коэффициенты «прошиваются» в память поверяемого анемометра;
- проверяется анемометр с «прошитыми» коэффициентами;
- принимается решение о годности данного анемометра к работе (соответствие полученной при проверке погрешности паспортной);
- полученные при поверке и проверке данные заносятся в базу;
- по окончании поверки компьютер выдает звуковой сигнал и сообщение на экране.
Несмотря на полную автоматизацию процесса в этом режиме, присутствие человека все же необходимо – для визуального контроля полученных результатов. Такая дополнительная проверка позволяет своевременно выявить возможные неисправности самой АУ и повышает надежность результатов.
При использовании полуавтоматического режима работа выглядит следующим образом:
- скорости выставляются по заранее заданной сетке скоростей. При этом инициирование переключения на следующую скорость производится вручную, с клавиатуры компьютера;
- при попадании скорости в полосу допустимой погрешности компьютер выдает звуковой сигнал, разрешающий снимать данные;
- вычисляется поправочный коэффициент (коэффициенты);
- результаты заносятся в протокол поверки и в базу данных.
Ручной режим используется для установки нестандартных скоростей либо для проведения каких-либо исследований. Этот режим включает следующие возможности:
- возможность установки произвольной скорости во всем рабочем диапазоне АУ с помощью движка или в цифровом виде;
- возможность изменения скорости по заранее заданной кривой.
Кроме этих основных режимов, программа включает также дополнительные – служебные и аварийные. В служебных режимах возможна поверка самой аэрометрической установки, индикация и настройка режима работы двигателя.
Аварийные режимы необходимы на случай возникновения аварийных ситуаций: перенапряжение в сети, перегрузка по току, превышение допустимой мощности, перегрев двигателя и частотного преобразователя. В этом случае работа АУ блокируется, а компьютер выдает звуковой сигнал и сообщение об аварии.
Фиксация анемометра в рабочей зоне аэрометрической установки производится при помощи специального кронштейна, который обеспечивает быструю и надежную фиксацию поверяемого анемометра в рабочей зоне, а также разворот на 180° (с целью поверки анемометра в двух направлениях).
Технические параметры
В ходе проведенных метрологических испытаний была доказана возможность задания при помощи АУ диапазона скоростей воздушного потока 0.05–26.5 м/с, что близко к расчетным параметрам и перекрывает весь необходимый для поверки шахтных анемометров диапазон скоростей (0.1–20 м/с).
Необходимо отметить, что этот диапазон скоростей получен без использования специальных заслонок, а только путем регулирования частоты вращения вентилятора, что дает двойную выгоду – упрощает конструкцию и алгоритмы управления с одновременным повышением точности измерений. В большинстве конструкций используются заслонки для достижения самых малых скоростей. Это объясняется тем, что в них применяется коллекторный двигатель постоянного тока, имеющий слишком высокий порог трогания и, таким образом, не способный создавать малые скорости.
Ключевая особенность нашей конструкции заключается в использовании асинхронного трехфазного электродвигателя переменного тока, который имеет значительно лучшие характеристики управления.
В первую очередь это низкий порог трогания и высокая точность стабилизации частоты вращения:
пороговая частота трогания, Гц 0.5
точность стабилизации частоты, % 0.02
Преимущества вышеописанной установки позволяют рекомендовать ее для использования в системах метрологического обеспечения анемометрии шахт и объединений. Аэрометрическая установка может использоваться для поверки любых типов анемометров с высокой точностью.
Помимо этого, установка обеспечивает высокую степень автоматизации, что само по себе является преимуществом – снижается вероятность ошибки, а оператор избавляется от рутинного труда.
