Детектор движения ферромагнитных объектов в цилиндрической стальной трубе

УДК 621.317

Л. П. ПОПОВ А. О. ЧУГУЛЕВ

Омский государственный технический университет

ДЕТЕКТОР ДВИЖЕНИЯ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ОБЪЕКТОВ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ СТАЛЬНОЙ ТРУБЕ___________________________________

Предложен детектор движения ферромагнитных металлических объектов внутри стального трубопровода, экранирующее действие которого многократно снижается за счет глубокого магнитного насыщения участка трубы постоянным намагничивающим током в зоне размещения сигнальной обмотки. Выполнен численный расчет магнитного поля детектора с учетом нелинейности магнитных характеристик материала трубы и произведена оценка уровня его сигнала. Ключевые слова: детектор движения, ферромагнетик, стальная труба, магнитное поле, магнитное насыщение.

Известно, что существуют технологические процессы, в которых критическим требованием является отсутствие посторонних предметов в однородных жидкостях или газах (например, металлических объектов в жидком топливе и др.). При этом контроль параметров движения и регистрация металлических предметов, находящихся в немагнитной среде, перемещаемой по стальным трубам, является в ряде случаев необходимым, исходя из требований того или иного технологического процесса.

В работе предложен детектор, осуществляющий контроль наличия ферромагнитных металлических объектов, находящихся в однородной немагнитной среде, перемещаемой по стальным трубопроводам, которые оказывают сильное экранирующее действие для переменного электромагнитного поля. В предлагаемом устройстве экранирующее действие стальной трубы многократно снижается за счет глубокого магнитного насыщения участка трубы постоянным намагничивающим током в зоне размещения сигнальной обмотки. Это позволяет осуществить обнаружение ферромагнитных объектов, перемещающихся во внутренней полости трубы, не используя переменный намагничивающий ток.

Данный способ обнаружения ферромагнитных тел основан на изменении магнитного потока, с которым сцепляется сигнальная обмотка детектора, расположенная на магнитонасыщенном участке трубы. При этом изменение данного потока, вызываемое вхождением ферромагнитного тела в зону магнитного поля внутренней полости трубы, приводит к появлению электродвижущей силы (ЭДС) в сигнальной обмотке.

Целью данной работы является исследование магнитного поля предлагаемой конструкции детектора, а также оценка уровня сигнала, получаемого в результате взаимодействия движущегося ферромагнитного тела с магнитным полем устройства.

Упрощенная конструкция предлагаемого устройства, представлена на рис. 1. На стальной трубе выполняется узкая цилиндрическая проточка, в которую укладывается сигнальная обмотка, а намагничивающая обмотка постоянного тока располагается в более широкий и глубокий паз (см. рис.1).

В связи с тем, что часть трубы находящаяся под сигнальной обмоткой имеет наименьшее поперечное сечение, можно приближенно считать, что большая часть магнитодвижущей силы обмотки намагничивания приложена к этому участку магнитной цепи. Ампер-витки намагничивающей обмотки выбирают таким образом, чтобы данный участок магнитопро-вода вводился в состояние глубокого магнитного насыщения, и часть магнитного потока проникала во внутреннюю полость трубы. Таким образом, создается узколокализованное магнитное поле, с которым взаимодействует движущийся в канале трубы ферромагнитный объект. Кроме того, динамическая магнитная проницаемость магнитонасыщенного участка практически равна магнитной проницаемости воздуха (т0). При этом многократно снижается экранирующее действие этого участка для переменной составляющей внутреннего поля, образующейся в результате движения ферромагнитного объекта через магнитное поле, проникающее во внутреннюю полость трубы.

Численный расчет магнитного поля в данной системе выполняется с учетом нелинейности характеристик материала магнитопровода детектора с использованием современной версии программы БЬСиТ, в основе работы которой лежит метод конечных элементов [1, 2]. Рассматриваемая магнитостатическая задача является осесимметричной.

Решение задачи приведено для случая использования в качестве материала магнитопровода стали 30, основная кривая намагничивания которого представлена на рис. 2.

При указанных размерах магнитонасыщаемого участка трубы (см. рис. 1) с учетом основной кривой намагничивания определяется значение магнитодвижущей силы обмотки постоянного тока для насыщения данного участка: = 500 Ампер-витков.

Так как форма сечения проводников намагничивающей и сигнальной обмоток незначительно влияет на результаты расчета (в связи с тем, что в области занятой обмотками интенсивность индукции магнитного поля невелика), для упрощения модели выбрано прямоугольное сечение проводников. После задания всех параметров системы в программе и выполнения

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011

внешним участок магн итопровода

обмотка с постоянным током намагничивания

п+п

ооооооо^

3*

Рис. 1. Устройство детектора движения ферромагнитных объектов в цилиндрической стальной трубе

12000

Н

Рис. 2. Основная кривая намагничивания стали 30

Рис. 3. Картина магнитного поля модели при отсутствии ферромагнитного объекта внутри трубы

Рис. 4. Картина магнитного поля модели с ферромагнитным объектом внутри трубы

72

82

расчета получаем следующую картину магнитного поля устройства (рис. 3).

В результате расчета установлено, что величина магнитного потока, проходящего через поперечное сечение радиусом ОА (см. рис. 3),

Ф0= 1,27 мВб.

На рис. 4 представлены результаты моделирования электромагнитного поля детектора при симметричном размещении ферромагнитного цилиндрического тела относительно центрального сечения внутри трубы (материал объекта также сталь 30). В данном случае полученное в результате расчета значение магнитного потока, проходящего через поперечное сечение радиусом ОА,

Ф =1,31 мВб.

мах '

В момент вхождения ферромагнитного объекта в магнитное поле внутренней полости трубы в сигнальной обмотке формируется положительный импульс ЭДС (потокосцепление нарастает), в момент выхода — отрицательный (потокосцепление уменьшается). В рассматриваемой задаче определяется среднее значение ЭДС этих импульсов за время вхождения объекта в зону магнитного поля внутренней полости трубы, т.е. когда объект симметрично расположено относительно центрального сечения (см.

рис. 4). К этому моменту времени приращение пото-косцепления сигнальной обмотки максимально.

Рассмотрим пример расчета среднего значения ЭДС сигнала, используя полученные расчетные данные по изменению потокосцепления сигнальной обмотки. Пусть рассматриваемый ферромагнитный объект входит в зону магнитного поля внутренней полости трубы за время М = 0,25 сек, а сигнальная обмотка содержит Ш = 100 витков, тогда значение наводимой в ней ЭДС:

Еср = Ш = 100131 - 127)10 -3 = 16 (мВ), ср М 0,25 4 '

где АФ = Ф — Ф0,

мах 0

Фмах и Ф0 определяются по результатам расчета магнитного потока, проходящего в поперечном сечении радиусом ОА, для рассмотренных случаев: Ф0 — ферромагнитный цилиндр отсутствует в трубе (рис. 3), Фмах цилиндр расположен симметрично относительно центрального сечения (рис. 4).

Рассмотренный детектор движения ферромагнитных объектов во внутренней области стальной трубы может быть также положен в основу измерителя скорости движения таких объектов, для чего необходимо иметь два идентичных детектора, расположенных на определенном расстоянии друг от друга.

Заключение. Впервые осуществлен численный расчет магнитного поля, проникающего во внутреннюю область стальной трубы с учетом нелинейности магнитных характеристик материала трубы.

Важные достоинства предложенного детектора:

— не требуется применение проникающего излучения;

— детектор способен обеспечивать обнаружение ферромагнитных объектов в условиях сильного электромагнитного экранирования при возбуждении постоянным током;

— обладает высокой помехозащищенностью и низким (близким к нулю) выходным сопротивлением;

— для изготовления не требуются сложные технологии и дорогостоящие материалы.

Библиографический список

1. Сильвестр, П. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров-электриков : пер. с англ. / П. Сильвестр, Р. Феррари. — М. : Мир, 1986. — 229 с.

2. Расчет электрических и магнитных полей методом конечных элементов с применением комплекса программ ЕЬСиТ : учеб. пособие / А. П. Попов [и др.]. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2010. - 84 с.

ПОПОВ Анатолий Петрович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая и общая электротехника».

ЧУГУЛЕВ Александр Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и общая электротехника».

Адрес для переписки: e-mail: aleks-c@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 10.06.2011 г.

©А. П. Попов, А. О. Чугулев.

УЯК К. И. НИКИТИН

Омский государственный технический университет

АНАЛИЗ ИЗМЕНЕНИЯ ФАЗЫ ТОКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЕГО ПУСКЕ, ЭКСПЕРИМЕНТ И СИНТЕЗ УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ (2 ЧАСТЬ)______________________________

Дается сравнительный анализ методик определения фазы пускового тока двигателя с экспериментальными данными. Предлагается структурная схема устройства релейной защиты с улучшенной отстройкой от самозапуска.

Ключевые слова: самозапуск, короткое замыкание, релейная защита, асинхронный электродвигатель, фаза тока.

Эксперимент. Для проверки достоверности расчетов было проведено несколько опытов по пуску двигателя с осциллографированием токов и напряжений. На рис. 1-4 приведены осциллограммы нескольких контрольных точек. Эксперименты проводили с асинхронным электродвигателем, с номинальной частотой вращения 1475 оборотов в минуту, мощностью 1,1 кВт. Результаты испытаний занесены в табл. 1.

Погрешность между расчетами и измерениями приемлема в середине диапазона. При малом скольжении 8 = 0,05 регистратором трудно было произвести точные измерения, а при большом скольжении 8 = 0,97 вероятно сказывается несовершенность алгоритма расчета, что видно из постоянно растущей погрешности при увеличении параметра 8. Однако неточность при больших 8 не сказывается на общем характере изменения фазы двигателя при пуске для использования данного факта в качестве дополнительного параметра защиты.

По предложенным четырем методикам и проведенному эксперименту вычислены и построены графики (рис. 5) фазы в зависимости от скольжения. Из рисунка видно, что закономерности изменения фазы тока АД при пуске во всех методиках и эксперименте совпадают. Имеется небольшой разброс, который может быть учтен при разработке устройства РЗ.

Синтез устройства релейной защиты. Используем определенную закономерность изменения тока и его фазы относительно напряжения при самозапу-ске (пуске) для построения защиты (рис. 6), которая будет значительно быстрее распознавать самозапуск (до того, как он закончится) от КЗ, или блокировку, которая повысит чувствительность уже существующей защиты [1, 2].

Устройство содержит измерительный орган 1, первый 2 и второй 3 элементы задержки, логический элемент И4, логический элемент ИЛИ5, исполнительный орган 6, первый 7 и второй 8 блокирующие

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (103) 2011 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА