System wielopunktowego pomiaru pola prędkości SWPPP

Laboratorium Systemów Pomiarowych

Służby wentylacyjne kopalń na bieżąco monitorują wydatek przepływu i prędkość średnią w wyrobiskach. Najczęściej wielkości te są mierzone przy pomocy ręcznych anemometrów metodą trawersowania przekroju poprzecznego wyrobiska. Precyzując pojęcie wydatku należałoby utożsamić je ze strumieniem objętości przepływającym przez przekrój poprzeczny wyrobiska. Strumień ten może być obliczony na podstawie pomiarów prędkości miejscowych, poprzez całkowanie rozkładu prędkości po polu tego przekroju. Znajomość rozkładu pola prędkości powietrza w przekroju wyrobiska jest więc elementem procesu pomiarowego umożliwiającego obliczanie strumienia objętości powietrza przepływającego przez bocznice systemu wentylacyjnego kopalni głębinowej. Co więcej, znajomość rozkładów prędkości w wyrobiskach jest użyteczna dla analizy lokalnych warunków przewietrzania, które są związane z występowaniem zagrożeń gazowych, pyłowych i klimatycznych.

Coraz częściej w badaniach i ekspertyzach stosuje się symulację komputerową trójwymiarowych przepływów w krytycznych dla bezpieczeństwa fragmentach sieci wentylacyjnej. Bardzo istotny wpływ na wyniki tych symulacji ma możliwie dokładne określenie warunków brzegowych, na przykład rozkładu prędkości na dolocie analizowanego fragmentu wyrobiska. Porównanie zmierzonych i obliczonych prędkości pozwala ocenić wiarygodność symulacji. Modelowanie komputerowe rozszerzyło więc zakres użyteczności pojęcia pola prędkości, znacznie wykraczając poza oszacowanie wydatku przepływu.

Do badania pola prędkości można wykorzystywać szereg różnych metod pomiarowych. Większość z nich polega na rozmieszczeniu w badanym przepływie określonej liczby czujników anemometrycznych. W zależności od charakteru przepływu i wymagań metrologicznych, można stosować czujniki o różnych zasadach pomiaru.

W LSP IMG PAN opracowano mobilny system umożliwiający prowadzenie badań pól prędkości i wyliczanie strumienia objętości.

System wykorzystuje sieć anemometrycznych czujników skrzydełkowych przesyłających dane pomiarowe drogą radiową do komputerowego układu akwizycji i analizy danych.

Zakres mierzonych przez czujniki prędkości wynosi od ±0,2 do ±20 m/s. Oprócz danych z czujników, niezbędne jest wprowadzenie informacji o ich geometrycznym położeniu w płaszczyźnie przekroju wyrobiska, a także wyznaczenie wybranych na obrysie wyrobiska punktów brzegowych. Taką informację można uzyskać wykonując pomiary taśmą mierniczą w ustalonym układzie współrzędnych. Stosowana jest również metoda fotogrametrii. System nie wymaga znajomości pola przekroju wyrobiska.

Odpowiednie algorytmy obliczeniowe zaimplementowane do programu komputerowego, pozwalają na obliczenie strumienia objętości. W celu estymacji rozkładu prędkości wykorzystuje się metodę triangulacji liniowej. Metoda ta dzieli pole przekroju na obszary, w których oprócz prędkości znanej z pomiarów wprowadza się dodatkowe wartości prędkości na podstawie obliczeń lub przyjętych założeń. Powoduje to zagęszczenie siatki punktów pomiarowych. Na przykład, stosując układ 16 czujników rzeczywistych w przekroju wyrobiska, można zagęścić siatkę pomiarową do 55 punktów. System jest urządzeniem mobilnym, skonstruowanym z myślą o wykorzystaniu w podziemnych zakładach górniczych.

Szczegółowe informacje dotyczące systemu można znaleźć w monografii:

Krach A., Krawczyk J., Kruczkowski J., Pałka T.: Zmienność pola prędkości i strumienia objętości powietrza w wyrobiskach kopalń głębinowych. Archives of Mining Sciences. Monograph 1. Kraków 2006.

Na fotografiach pokazano przykładowe możliwości rozłożenia systemu w różnych miejscach kopalnianej sieci wentylacyjnej.

Przebieg zmian strumienia objętości w wyrobisku kopalni w stacjonarnym stanie przewietrzania pokazano na fotografii poniżej.

 

System wielopunktowego pomiaru pola prędkości SWPPP jest bardzo dokładnym urządzeniem do pomiaru strumienia objętości. Zostało to potwierdzone w procesie walidacyjnym stosowanej metody pomiarowej przy wykorzystaniu tunelu aerodynamicznego znajdującego się w Laboratorium Wzorcującym Wentylacyjne Przyrządy Pomiarowe IMG PAN. Na fotografii poniżej pokazano zamontowany do badań walidacyjnych system SWPP w dużej komorze pomiarowej tunelu.