Датчик электропроводности жидкости, протекающей в диэлектрической трубе
Автор: Попов Анатолий Петрович, Чугулв Александр Олегович, Винокуров Михаил Романович
Журнал: Вестник Донского государственного технического университета @vestnik-donstu
Рубрика: Краткие сообщения
Статья в выпуске: 2 (77) т.14, 2014 года.
Бесплатный доступ
Предлагается принципиально новая конструкция бесконтактного индуктивного датчика для контроля электропроводности жидкостей, которые применяются в химической, нефтедобывающей, пищевой и других отраслях промышленности. Исследование магнитного поля датчика выполнено с использованием комплекса программ моделирования Elcut 5.6 Professional. В процессе исследования оценивалось влияние на характеристики магнитного поля величины тока возбуждения, его частоты, а также диаметра трубы с электропроводящей жидкостью. При этом скорость движения жидкости предполагалась достаточно малой, не оказывающей заметного влияния на выходной сигнал датчика. Приводятся результаты исследования электромагнитного поля, возбуждаемого переменным током в цилиндрической трубе, заполненной электропроводящей жидкостью при её неизменных параметрах. На основании результатов моделирования электромагнитных процессов получены рекомендации об оптимальных соотношениях параметров в зависимости от характеристик исследуемой среды.
Электромагнитное поле, электропроводящая жидкость, характеристики магнитного поля, ток возбуждения, частота, диаметр трубы с электропроводящей жидкостью
Короткий адрес: https://sciup.org/14250064
IDR: 14250064 | DOI: 10.12737/4470
Текст краткого сообщения Датчик электропроводности жидкости, протекающей в диэлектрической трубе
В состав исследуемого датчика входят: обмотка возбуждения из медного изолированного провода диаметром 0,5 мм с числом витков и/1 = 240, которая намотана на диэлектрическую трубу толщиной 2 мм и внутренним диаметром D, а также сигнальная обмотка из медного изолированного провода диаметром 0,1 мм с числом витков и/2 = 60. С внешней стороны датчик закрывает цилиндрический магнитный экран, предотвращающий влияние на сигнал внешних магнитных полей (рис. 1). По обмотке возбуждения протекает синусоидальный ток заданной частоты с амплитудой 0,1 А. В данных условиях величина электродвижущей силы (ЭДС), наводимой в сигнальной обмотке будет зависеть от глубины проникновения магнитного поля вглубь жидкости. Исходя из этого, в ходе исследований в качестве изменяемых параметров датчика были приняты: электропроводность жидкости, частота тока в обмотке возбуждения, внутренний диаметр диэлектрической трубы, в которой находится (протекает) жидкость.
Исследования магнитного поля датчика выполнены с использованием комплекса программ моделирования Elcut 5.6 Professional, в основе работы которого лежит метод конечных элементов
Работа выполнена в рамках инициативной НИР.
-
[4]. Рассматриваемая задача электромагнитного поля переменных токов является осесимметрии ной.
Рис. 1. Конфигурация датчика электропроводности
В созданной модели датчика были приняты следующие параметры:
-
— электропроводность диэлектрической трубы у = 0;
-
— относительная магнитная проницаемость жидкости, меди и диэлектрика Цо™ = 1;
— относительная магнитная проницаемость экрана ц0™ = 1000;
-
— электропроводность магнитного экрана у = 0;
— электропроводность медных проводников у = 58"106 см/м;
— электропроводность жидкости у/ = 5,102...3,106 см/м;
— частота синусоидального тока в обмотке возбуждения f= 10... 100 кГц;
— амплитудное значение синусоидального тока в обмотке возбуждения 0,1 А.
На рис. 2 и 3 в качестве примеров представлены картины линий магнитной индукции исследуемой модели датчика при диаметре трубы D = 40 мм и различных значениях электропроводности жидкости.
Рис. 2. Картина магнитного поля датчика для электропроводности жидкости у = 5-ю3 см/м и частоты тока в обмотке возбуждения f= 100 кГц
Рис. 3. Картина магнитного поля датчика для электропроводности жидкости у = 3"106 см/м и частоты тока в обмотке возбуждения f= 100 кГц
Результаты расчёта электромагнитных процессов в датчике с помощью программы Elcut представлены в табл. 1-4.
Таблица 1
Амплитудные значения ЭДС сигнальной обмотки в зависимости от электропроводности жидкости, при внутреннем диаметре трубы D = 40 мм и частоте тока Г= 10 кГц
|
Электропроводность жидкости у, см/м |
Потокосцепление сигнальной обмотки Фт-10"6, Вб |
ЭДС сигнальной обмотки, Em = СО’Фт, В |
Глубина проникновения Д = ^2 / (шур), мм |
|
5402 |
9,170 |
0,576 |
225 |
|
5403 |
9,168 |
0,576 |
71,0 |
|
5404 |
9,012 |
0,566 |
23,0 |
|
5405 |
6,456 |
0,405 |
7,12 |
|
1406 |
5,669 |
0,356 |
5,03 |
|
3406 |
4,757 |
0,299 |
2,91 |
Таблица 2
Амплитудные значения ЭДС сигнальной обмотки в зависимости от электропроводности жидкости, при внутреннем диаметре трубы D = 40 мм и частоте тока Г= 100 кГц
|
Электропроводность жидкости у, см/м |
Потокосцепление сигнальной обмотки Wm • 10"6, Вб |
ЭДС сигнальной обмотки, Ет = СО’Фт, В |
Глубина проникновения Л = V2 / (Ш¥Р), м |
|
5402 |
9,073 |
5,70 |
71,0 |
|
5403 |
8,928 |
5,61 |
23,0 |
|
5404 |
6,400 |
4,02 |
7,12 |
|
5405 |
4,396 |
2,76 |
2,25 |
|
1406 |
4,087 |
2,57 |
1,59 |
|
3406 |
3,749 |
2,36 |
0,919 |
Таблица 3
Амплитудные значения ЭДС сигнальной обмотки в зависимости от электропроводности жидкости, при внутреннем диаметре трубы D = 80 мм и частоте тока Г= 10 кГц
|
Электропроводность жидкости у, см/м |
Потокосцепление сигнальной обмотки Фт ■ 10"6, Вб |
ЭДС сигнальной обмотки, Ет = СО’Фт, В |
Глубина проникновения Л = V2 / (Ш¥Р), м |
|
5402 |
26,07 |
1,64 |
225 |
|
5403 |
25,97 |
1,63 |
71,0 |
|
5404 |
21,04 |
1,32 |
23,0 |
|
5405 |
12,72 |
0,80 |
7,12 |
|
1406 |
11,08 |
0,70 |
5,03 |
|
3406 |
9,200 |
0,58 |
2,91 |
Таблица 4
Амплитудные значения ЭДС сигнальной обмотки в зависимости от электропроводности жидкости, при внутреннем диаметре трубы D = 80 мм и частоте тока Г= 100 кГц
|
Электропроводность жидкости у, см/м |
Потокосцепление сигнальной обмотки Фт ■ 10"6, Вб |
эдс сигнальной обмотки, Ет = СО‘Фт, В |
Глубина проникновения Л = V2 / (Ш¥Р), м |
|
5402 |
25,81 |
16,2 |
71,0 |
|
5403 |
20,95 |
13,2 |
23,0 |
|
5404 |
12,62 |
7,93 |
7,12 |
|
5405 |
8,481 |
5,33 |
2,25 |
|
1406 |
7,845 |
4,93 |
1,59 |
|
3406 |
7,163 |
4,50 |
0,919 |
Выводы. На основании полученных результатов моделирования электромагнитных процессов в рассматриваемой системе можно сделать следующие выводы:
-
1. Чувствительность датчиков данного типа (отношение приращения сигнала к приращению электропроводности жидкости) начинает резко возрастать при уменьшении глубины проникновения электромагнитного поля по сравнению с радиусом трубы, то есть когда Д = ^2 / (шуц) < D/2.
-
2. Для повышения чувствительности целесообразно увеличивать число витков сигнальной обмотки и амплитудное значение тока возбуждения.
-
3. Для слабопроводящих жидкостей целесообразно применять ток возбуждения повышенной частоты.
Список литературы Датчик электропроводности жидкости, протекающей в диэлектрической трубе
- Кулаков, М. В. Технологические измерения и приборы для химических производств/М. В. Кулаков. -Москва: Машиностроение, 1983. -424 с.
- Устройство для измерения удельного электрического сопротивления жидких сред: патент 2105317 Рос. Федерация: МПК G01R27/22, G01N27/02. -№ 5062811/09/Э. Х. Вишняков, Е. И. Леонкин, О. В. Косарев; заявл. 18.09.92; опубл. 20.02.98.
- Юинг, Г. Инструментальные методы химического анализа/Г. Юинг. -Москва: Мир, 1989. -383 с.
- Расчёт электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ Elcut/А. П. Попов [и др.]. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. -84 с.
- Хоровиц, П. Искусство схемотехники/П. Хоровиц, У. Хилл. -Москва: Мир, 1998. -147 с.
- Сильвестр, П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков/П. Сильвестр, Р. Феррари. -Москва: Мир, 1986. -229 с.
- Пасынков, В. В. Материалы электронной техники/В. В. Пасынков, В. С. Сорокин. -Санкт-Петербург: Лань, 2001. -368 с.
- Преображенский, А. А. Магнитные материалы и элементы/А. А. Преображенский, Е. Г. Бишард. -Москва: Высш. школа, 1986. -352 с.
- Попов, А. П. Энергосберегающий быстродействующий переключатель тока для индуктивных нагрузок/А. П. Попов, А. О. Чугулёв, М. Р. Винокуров//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2010. -Т. 10, № 5 (48). -С. 675-682.
- Попов, А. П. Индукционный датчик линейных перемещений с отрицательной обратной связью по потокосцеплению обмотки возбуждения/А. П. Попов, А. О. Чугулёв, М. Р. Винокуров//Вестник Дон. гос. техн. ун-та. -2012. -№ 2 (63). -С. 54-59.
