Анемометри в минната промишленост

Условията на труд в подземните мини и рудници са твърде специфични. Характерът на дейността, извършвана в тях и условията на средата предполагат големи рискове за работниците. За да се осигури безопасната работа на миньорите и подходяща въздушна среда, е необходим непрекъснат контрол на основните параметри на микроклимата. От особено значение е доброто организиране и контролиране на вентилацията, което е свързано както с доставянето на достатъчно количество пресен въздух и неговото правилно разпределение, така и с точно регулиране на скоростта му.

Обикновено за измерване и контрол на скоростта на въздушния поток в мините се използват различни по вид, принцип на действие и технически характеристики анемометри, към които има редица изисквания по отношение на диапазона и точността на измерване, както и към конструкцията. Специфичните условия в мините налагат при избора на анемометър да се вземат предвид характерът на въздушния поток, диапазонът, в който се движи неговата скорост, както и регламентираните правила за безопасност. Особено остро стои въпросът и за периодичната проверка и метрологичната обезпеченост на уредите.

Многофункционални и широко приложими
Днес на пазара на измервателна апаратура се предлага широк избор на преносими и стационарни електронни анемометри, представляващи многофункционални прибори, които измерват повече от една величина. Обикновено към допълнителните функции се включват възможности за измерване на величини като обемен разход, температура, направление на потока, относителна и абсолютна влажност, съдържание на вредни примеси и др. Често анемометрите са оборудвани с осветяем дисплей и памет за запаметяване на измерените стойности. Могат да бъдат включени към персонален компютър, а често комплектът включва и допълнителен софтуер, предназначен за провеждане на статистическа обработка на получените резултати.

Независимо от съчетанието на множество функции, определящи фактори при избора на анемометри за минната индустрия са възможността им да измерват скорости в диапазона 0,1 - 20 m/s, чувствителността към направлението на потока, безопасното изпълнение, устойчивостта към въглищния прах, надеждната конструкция (отсъствие на подвижни части), малката грешка при измерване, особено при ниски скорости. Добре е също така да се има предвид, че в мините въздухът е с високо съдържание на газови примеси и прах. Характерни са и колебания на температурата и висока влажност. Всички тези фактори оказват негативно влияние върху характеристиките на анемометрите и върху тяхната работоспособност. Допълнителни негативни фактори се явяват механичните въздействия, вибрациите и ударното натоварване.

От ключово значение е и изборът на подходящ измервателен метод. Според повечето специалисти използваните до момента методи не се характеризират с достатъчна точност, поради което се препоръчват съвременни методи като акустичните или ултразвуковите.

Методи за измерване
Методите, използвани при анемометрите, за измерване на скоростта на въздушни и газови потоци могат да се разделят по физически принципи в пет групи. Първата група това са методите, основани на използването на енергията на потока, включващи методи, използващи промяната в пада на налягане; методи, използващи измерване на въртящия момент и методи, използващи явлението обтичане. Втората група методи това са топлинните методи, към които спадат такива, използващи измерването на температурата на нагрято тяло, намиращо се в потока и методи, използващи измерването на температурата на потока с нагреваем елемент. Следващата група обхваща методите, използващи намагнитизиране, йонизация, подгряване и акустичните методи (условно). Последните две групи методи са корелационните и оптичните.

От анемометрите, базирани на първата група методи, най-широко прилагани в мините и рудниците са крилчатите и чашковите анемометри.

При чашковите анемометри чувствителният елемент е система от полусферични чашки (три или четири на брой), които се въртят около вертикална ос. Принципът им на действие се основава на разликата между съпротивлението при обтичане на вдлъбнатата и изпъкналата част на чашката. Тъй като съпротивлението зависи от числото на Рейнолдс, при измерване на високи скорости е необходима индивидуална градуировка.
При крилчатите анемометри като приемник се използва пропелер (вентилатор). Съответно, броят на оборотите на пропелера за единица време е пропорционален на скоростта на измервания поток.

Чашковите и крилчатите анемометри, макар и често срещани в минната индустрия, се характеризират с редица недостатъци. Те са чувствителни по отношение на праха в мините и не са подходящи за измерване на малки скорости, поради не особено добрата им точност.

Методите, използващи пада на налягане, се явяват най-старите и конструктивно най-лесно приложимите. От приборите, работещи на този принцип, сред най-често използваните е тръбата на Пито (Pitot tube), която се счита за не особено подходяща за използване в минната индустрия поради опасността от запушване на отвора на тръбата и много малката чувствителност при малка скорост на потока.

Вихрови анемометри
Различават се два способа на организиране на вихрообразуването: преобразувател със завихряне на потока и преобразувател с естествено вихрообразуване. Тези анемометри имат в първичния преобразувател неподвижно тяло, при обтичането на което възникват откъсващи се вихри, създаващи пулсации на налягането. Скоростта на потока може да бъде изчислена по честотата на пулсациите, които се измерват с помощта на преобразувател на налягане, напрежение, температура, ултразвукови или други. Вихровите анемометри имат линейна характеристика, те не са подложени на влиянието на изменението на параметрите на газовата среда, почти не зависят от ориентацията в пространството.

Удовлетворяват голямо количество промишлени изисквания, имат компактна конструкция и не съдържат движещи се части. Замърсяването и ерозията на обтекаемото тяло много малко се отразява на процеса на вихрообразуване. Основните преимущества на вихровия първичен преобразувател се явяват достатъчно големият диапазон на измерване и малката грешка. Основно ограничение за тяхното използване се явява силната им зависимост от числото на Рейнолдс на потока във въздуховода. Ако стойността му падне под 103-104, което се случва при много ниски скорости, работоспособността на вихровите анемометри силно намалява.

Топлинни методи
При термоанемометрите се използва зависимостта между скоростта, с която едно нагрято тяло, обтичано от въздушен поток, се охлажда и скоростта на въздушния поток. Ако това тяло се подгрява непрекъснато, тогава такава зависимост съществува между неговата равновесна температура и скоростта на потока. Като чувствителен елемент се използват тънки проводници и ленти с малка топлинна инерционност и устойчиви на вибрации.

Обикновено се използват два режима на работа:
- метод на постоянния ток - при изменение на скоростта на потока се изменя температурата на нишката, т. е. нейното съпротивление;
- метод на постоянната температура - съпротивлението и температурата на нишката се поддържат постоянни с помощта на система за автоматично регулиране на тока, който в случая е изходна величина за измерителния прибор.

Предимствата на термоанемометрите са високата им чувствителност, малката инерция, широкият диапазон на измерване. Недостатъците са чупливостта на нишката, нелинейна характеристика, загуба на чувствителност с времето и др. Използването на термоанемометри в рудници се счита за не особено подходящо, тъй като те не са в състояние да обезпечат определени правила на безопасност в диапазона на скоростта и не осигуряват достатъчно компактна, надеждна и евтина конструкция.

Акустични методи
Принципът на действие на ултразвуковите анемометри се основава на съществуващата функционална зависимост между скоростта на разпространение на ултразвуковите вълни в подвижни среди и скоростта на движение на флуида. Използват се за определяне както на скоростта, така и на посоката на потока. Обикновено ултразвуковият анемометър е оборудван с две двойки ултразвукови преобразуватели (устройства, които излъчват и приемат звукови вълни), разположени един срещу друг.

Един след друг всеки преобразувател излъчва ултразвуков сигнал през потока, към срещуположният преобразувател. Ако посоката на потока съвпада с посоката на ултразвуковия сигнал, времето за което сигналът преминава разстоянието между излъчващия и приемащия преобразувател ще е по-малко в сравнение с необходимото време за преминаване на същото разстояние, ако сигналът се движи срещу потока. Чрез пресмятане на времето, необходимо на звуковия сигнал да достигне срещуположния преобразувател и да се върне отново, се определя скоростта на потока. Посоката на потока се определя в зависимост от ъгъла, под който той пресича ултразвуковите вълни. Този тип анемометри са широко използвани поради точността на измерване и отсъствието на подвижни части в конструкцията им.

Корелационни и оптични методи
Корелационните методи се базират на измерването на корелацията на две случайно изменящи се величини в две сечения на потока, разположени на фиксирани разстояния една от друга.

Основният тип оптични прибори, използвани за измерването на скоростта на газови потоци, са лазер доплеровите анемометри. Те позволяват безконтактно измерване на скоростта на газообразни, течни и твърди среди, съдържащи светлоотразяващи частици. Характеризират се с висока точност и бързодействие, както и с липсата на контакт между уреда и контролирания поток, но високата им цена силно ограничава тяхното приложение.