Экспериментальное исследование влияния массы рабочих тел на параметры, характеризующие качество функционирования индуктора

Введение. Большое количество сельскохозяйственных процессов включает операцию обеззараживания, целью которой может являться подготовка продукта для использования в технологическом процессе или уничтожение патогенной микрофлоры по его окончании. Примерами могут служить процессы подготовки воды для рыбоводческих хозяйств и обеззараживание отходов животноводства.

Наиболее перспективным способом обеззараживания жидких и пастообразных технологических материалов в сельском хозяйстве является воздействие на них вращающимся электромагнитным полем переменной частоты [1]. Об успешном использовании в других отраслях промышленности свидетельствуют работы А. А. Адошева, Ю. А. Бахвалова, Г. И. Володина, Е. А. Климова, Н. А. Деревянкина и др. Установки активации процессов, аппараты вихревого слоя, электромеханические активаторы служат для реализации предложенного выше способа и по своей физической сути являются индукторами. Индуктор представляет собой статор с перемещающимися внутри его активной зоны рабочими телами, изготовленными из ферромагнитных материалов.

Анализ литературных источников по рассматриваемой тематике позволил установить, что существенное влияние на качество функционирования индуктора оказывает масса рабочих тел [2–10]. Однако, математические зависимости, количественно оценивающие эти взаимосвязи в литературе, в настоящее время отсутствуют.

Поэтому экспериментальное исследование с целью определения влияния массы рабочих тел в камере индуктора на параметры, характеризующие качество его функционирования, является весьма актуальным.

Экспериментальное исследование. Исследование проводилось на индукторе, схема которого представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема индуктора:

1 — корпус; 2 — сердечник; 3 — труба; 4 — рабочие тела

Индуктор состоит из корпуса 1, внутри которого расположен цилиндрический сердечник 2 из трансформаторной стали с электрообмотками смещёнными в пространстве друг относительно друга на угол 120˚. В его отверстие вставлена труба 3 из парамагнитного материала. Внутри трубы располагаются ферромагнитные рабочие тела 4, которые под воздействием вращающегося переменного магнитного поля совершают перемещение в рабочей зоне индуктора.

Кроме показателей назначения, качество функционирования индуктора характеризуется целым комплексом параметров. Основными из них являются энергетические. Они определяют энергоёмкость процесса и влияют на параметры назначения. К ним относятся:

• –    сила электрического тока в цепи индуктора, которая характеризуется среднеквадратическим значением фазового тока I ф , A;

• –    активная электрическая мощность в цепи индуктора, которая характеризуется среднеквадратическим значением P ф , Вт;

• –    реактивная электрическая мощность в цепи индуктора, которая характеризуется среднеквадратическим значением Q ф , В·Ар;

• –    полная электрическая мощность в цепи индуктора, которая характеризуется среднеквадратическим значением S ф , В · А .

• –    магнитная индукция (МИ), модуль которой характеризуется средневыпрямленным значением В m , мТл.

В процессе экспериментального исследования использовались рабочие тела, представляющие собой стержни из ферромагнитного материала диаметром 1,5 мм и длиной 20 мм.

В качестве условий исследования рассматривались:

• –    напряжение тока на входе индуктора, которое характеризуется среднеквадратическими значениями фазового напряжения U ф , В;

• –    частота колебания электрического тока в сети равная f , Гц.

Кибернетическая модель системы, иллюстрирующая их взаимосвязь, представлена на рис. 2.

Факторы Условия Параметры

/ иф

Рис. 2. Блок-схема кибернетической модели системы (входы–индуктор–выходы):

m — масса рабочих тел; f — частота колебаний электрического тока; U ф — напряжение электрического тока на входе индуктора; I ф — сила электрического тока в цепи индуктора; P ф — активная мощность в цепи индуктора; Q ф — реактивная мощность в цепи индуктора; S ф — полная мощность в цепи индуктора; В m — магнитная индукция

Машиностроение и машиноведение

В процессе опытов фиксировались мгновенные значения напряжения U ф_i , тока I ф_i , частоты f i и магнитной индукции В i . В дальнейшем в результате расчётов и автоматизированной статистической обработки с использованием ПК получались требуемые значения измеряемых параметров. Частота фиксации мгновенных значений составляла 0,001 с.

Измерение значений магнитной индукции проводилось портативным универсальным миллитесламетром ТПУ. Работа миллитесламетра основана на измерении магнитной индукции с помощью датчиков в виде преобразователя Холла.

Основная допускаемая относительная погрешность в процентах при измерении средневыпрямленных значений магнитной индукции переменного магнитного поля не превышает значений, рассчитанных по формуле:

^А 0 = ±

2 , 5 + 0 , 2 -I -П - 1 I I ^-и  Л

= ±

2 , 5 + 0 , 2 -

199 , 9

-

= 2 , 94 %

где     В П — предел измерений миллитесламетра, мТл;

В И — показания миллитесламетра, мТл.

Измерение МИ производилось по следующей методике. В рабочей камере индуктора вдоль центральной продольной оси закреплялась направляющая в виде трубы с высокой магнитной проницаемостью, что обеспечивало фиксированное перемещение датчика (рис. 1).

Частота колебания электрического тока в цепи измерялась токоизмерительными клещами-ваттметром АСМ-2353. Погрешность не превышала ±1,2%.

Тарировка измерительного канала осуществлялась токоизмерительными клещами-ваттметром АСМ-2353. Погрешность измерения не превышала 0,17 кВт и рассчитывалась по формуле:

А р = ± ( 0 , 03 - Р изм + 5 е.м.р. )

где     Р_ИЗМ — измеренное значение активной мощности, кВт;

е. м. р . — единицы младшего разряда, кВт,

Масса рабочих тел определялась на весах с точностью до 0,01 г. В процессе исследования устанавливались следующие уровни массы рабочих тел: 0, 200, 400, 600, 800, 1 000, 1 200, 1 400 г.

Измерение значений контролируемых параметров и их первичная обработка осуществлялись с использованием контрольно-измерительного комплекса (КИК), созданного авторами и представленного на рис. 3.

Рис. 3. Блок-схема КИК:

• 1    — датчик измерения фазового напряжения электрического тока U _Ф на входе индуктора;

• 2    — датчики измерения фазовой силы электрического тока I_Ф в цепи индуктора;

• 3    — датчик измерения частоты колебания электрического тока f; 4 — датчик измерения магнитной индукции - _m;

• 5    — датчик измерения активной мощности P ф ; 6 — датчик измерения реактивной мощности Q ф ; 7 — датчик измерения полной мощности 5 ф ; 8 — датчик измерения массы рабочих тел m ; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; К — компьютер

Все средства измерения, использованные в процессе исследования, прошли сертификацию и соответствовали нормативным документам.

Для уменьшения систематических ошибок была использована рандомизация. Каждый опыт дублировался три раза.

Статистическая обработка экспериментально полученных данных осуществлялась в автоматизированном режиме с использование программного комплекса Statistica 6.0. Выбранный уровень значимости и коэффициенты корреляции приведены в разделе "Обсуждение и результаты".

После определения оценок коэффициентов, их характеристик и исключения функций из уравнений при статистически незначимых коэффициентах уравнения регрессии приняли вид:

• –    для зависимости силы электрического тока в цепи индуктора от массы стержней

  I = -0, 0157 m + 71, 692;(1)

• –    для зависимости активной мощности от массы стержней

  P = -0, 0012 m + 4, 7843;(2)

• –    для зависимости реактивной мощности от массы стержней

  Q = -0, 0039m + 17, 334;(3)

• –    для зависимости полной мощности от массы стержней

5 = -0, 004m +17,978;(4)

• –    для зависимости магнитной индукции от массы стержней

  B = -0, 0226m + 60, 842.(5)

По полученным моделям были рассчитаны значения рассматриваемых параметров.

Обсуждения и результаты. Результаты исследования влияния массы рабочих тел на величину силы электрического тока в цепи индуктора представлены на рис. 4.

Масса стержней, m , г

Рис. 4. Зависимость силы тока в цепи индуктора от массы стержней

• А нализ уравнения (1) и графической зависимости на рис. 4 показал следующее:

  Машиностроение и машиноведение

  
  

  • –    математическая модель (1) в виде полинома первой степени адекватно по критерию Фишера характеризует зависимость силы тока в цепи индуктора от массы стержней при уровне значимости α = 0,05. Коэффициент корреляции r = 0,9921;

  • –    с увеличением массы стержней сила электрического тока в рассматриваемом диапазоне значений в цепи индуктора убывает.

Результаты исследования влияния массы рабочих тел на величину активной мощности, представлены на рис. 5.

Рис. 5 Зависимость активной мощности от массы стержней

Анализ уравнения (2) и графической зависимости на рис. 5 показал следующее:

• –    математическая модель (2) в виде полинома первой степени адекватно по критерию Фишера характеризует зависимость активной мощности от массы стержней при уровне значимости α = 0,05. Коэффициент корреляции r = 0,9816;

• –    с увеличением массы стержней активная мощность индуктора в рассматриваемом диапазоне значений убывает. Результаты исследования влияния массы рабочих тел на величину реактивной мощности представлены на

рис. 6.

Рис. 6 Зависимость реактивной мощности от массы стержней

Анализ уравнения (3) и графической зависимости на рис. 6 показал следующее:

• –    математическая модель (3) в виде полинома первой степени адекватно по критерию Фишера характеризует зависимость реактивной мощности от массы стержней при уровне значимости α = 0,05. Коэффициент корреляции r = 0,9942;

• – с увеличением массы стержней реактивная мощность в рассматриваемом диапазоне значений индуктора убывает.

Результаты исследования влияния массы рабочих тел на величину полной мощности представлены на рис. 7.

Рис. 7 Зависимость полной мощности от массы стержней

Анализ уравнения (4) и графической зависимости на рис. 7 показал следующее:

– математическая модель (4) в виде полинома первой степени адекватно по критерию Фишера характеризует зависимость полной мощности от массы стержней при уровне значимости α = 0,05. Коэффициент корреляции r = 0,9948;

– с увеличением массы стержней полная мощность индуктора в рассматриваемом диапазоне значений убывает.

Результаты исследования влияния массы рабочих тел на величину магнитной индукции представлены на рис. 8.

Рис. 8 Зависимость магнитной индукции от массы стержней

Анализ уравнения (5) и графической зависимости на рис. 8 показал следующее:

• –    математическая модель (5) в виде полинома первой степени адекватно по критерию Фишера характеризует зависимость магнитной индукции от массы стержней при уровне значимости α = 0,05. Коэффициент корреляции r = 0,991;

• –    с увеличением массы стержней сила электрического тока в цепи индуктора в рассматриваемом диапазоне значений убывает.

Выводы . Анализ экспериментальных данных позволил установить, что с увеличением массы стержней сила электрического тока в цепи индуктора, активная, реактивная, полная мощность и магнитная индукция в рассматриваемом диапазоне значений убывают. Результаты, полученные в процессе данного исследования, могут быть использованы при проектировании индукторов.

Машиностроение и машиноведение