Исследование статической характеристики гидроэлектрического преобразователя расхода с магнитожидкостным сенсором

УДК 681.5

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ РАСХОДА С МАГНИТОЖИДКОСТНЫМ СЕНСОРОМ

С. Н. Грицюк

INVESTIGATION OF STATIC CHARACTERISTIC OF HYDROELECTRIC FLOW CONVERTER WITH THE MAGNETO-LIQUIDSENSOR

S. N. Gritsyuk

Аннотация. Актуальность и цели. При разработке систем автоматического управления важным является вопрос выбора первичных преобразователей. Существенное значение имеют точные и надежные измерения расхода рабочих жидкостей в напорных потоках. Актуальным направлением является разработка измерительных устройств с использованием магнитной жидкости в качестве управляемого элемента конструкции. Применение магнитной жидкости обуславливается малой энергоемкостью узлов с ее использованием, возможностью удержания в необходимых местах конструкции электромагнитным полем. Экспериментальные исследования преобразователя расхода позволяют провести оценку погрешности измерений и дать рекомендации по применению гидроэлектрического преобразователя расхода (ГЭПР). Материалы и методы. Рассмотрен принцип действия экспериментального стенда и гидроэлектрического преобразователя расхода. Экспериментальные исследования проводились с использованием магнитных жидкостей различного способа приготовления и состава, с различными свойствами. Результаты. Представлены результаты экспериментальных исследований гидроэлектрического преобразователя с магнито-жидкостным сенсором с различными типами магнитных жидкостей. Статическая характеристика ГЭПР имеет прямопропорциональную зависимость изменения силы тока от увеличения или уменьшения расхода жидкости. Выводы. Для получения статической характеристики с высокой крутизной необходимо использовать магнитные жидкости промышленного образца с высокими магнитными характеристиками.

Ключевые слова: система управления, преобразователь расхода, сенсор, магнитная жидкость, экспериментальные исследования, статическая характеристика.

Abstract. Background. In the development of automatic control systems is important the right choice of primary converters. Accurate and reliable flow measurement of hydraulic fluids in the pressure flow are very essential. Actual direction is a development of measuring devices using magnetic fluidas a managed element of construction. The use of magnetic fluidcaused by low power consumption of components using it, the ability to be held at special places by electromagnetic field. Experimental research of flow transducer allow to make an assessment of the measurement error and provide guidance on its application. Materials and methods. The article review the principle of the experimental stand and hydroelectric flow transducer. Experimental studies were carried out using magnetic fluidof different preparation method and composition with different properties. Results. The results of experimental studies of the hydro-electric converter with magneto-liquidsensor with different types of magnetic fluidare presented. Static characteristic offlow transducer depend on the current from increasing or decreasing the flow rate. Conclusions. To obtain a static characteristic with high steepness, it is necessary to use industrial magnetic fluids with high magnetic characteristics.

Key words: control system, flow transmitter, sensor, magnetic fluid, experimental studies, static characteristic.

Введение

При автоматизированном управлении производством большое значение имеют точные и надежные измерения расхода рабочих жидкостей. Реализация способа преобразования гидравлического сигнала в электрический позволяет решить задачу разработки преобразователя расхода для автоматической системы контроля расхода рабочих жидкостей. Экспериментальные исследования необходимы для подтверждения теоретических расчетов и позволяют сделать вывод о возможности использования гидроэлектрического преобразователя расхода с магнитожидкостным сенсором в качестве измерительного элемента в системах автоматического управления [1].

Экспериментальные исследования преобразователя расхода

Результаты теоретических исследований гидроэлектрического преобразователя расхода (ГЭПР) с магнитожидкостным сенсором показали возможность его использования в качестве измерительного элемента в системах автоматического управления. Для оценки погрешности измерений и получения передаточной функции ГЭПР были проведены экспериментальные исследования преобразователя расхода [2].

Для исследования характеристик ГЭПР с магнитожидкостным сенсором разработан и изготовлен экспериментальный стенд (рис. 1) со следующими техническими характеристиками: рабочее давление, МПа напряжение питания двигателя, В габариты, м масса, кг

температурный диапазон, °С

0,4-1,0 220

0,745 х 0,287 х 0,345 12

+20 - +60

Рис. 1. Схема экспериментальной установки для исследования ГЭПР: 1 - емкость с исследуемой жидкостью; 2 - насос с двигателем; 3 - вентиль; 4 - трубопровод; 5 - блок питания эталонного расходомера; 6 - эталонный расходомер (Сапфир 22Д); 7 - измерительные приборы (миллиамперметр); 8 - ГЭПР; 9 - нагревательный элемент; 10 - термометр

Экспериментальный стенд представляет собой замкнутый гидравлический контур. При помощи насоса 2, создающего давление в системе, жидкость по трубопроводу 4 под определенным давлением поступает на эталонный расходомер 6, измеряющий перепад давления. Для питания электродвигателя насоса используется блок питания 5, преобразующий напряжение ~220 В в напряжение +12 В. Для создания изменяемого давления используется запорный вентиль 3. В качестве эталонного расходомера применен Сапфир 22Д. Выбор определен преимуществами преобразователя: простота эксплуатации, достаточная распространенность в промышленности, необходимая точность измерений. Для питания эталонного расходомера используется стандартный блок питания. Первичный преобразователь (гидроэлектрический преобразователь расхода) 8 служит для преобразования перемещения магнитожидкостного сенсора (МЖС) в электрический сигнал и передачу этого сигнала на измерительный прибор 7 [2].

Для проведения экспериментальных исследований с различными типами рабочих жидкостей при разных температурах в емкость с исследуемой жидкостью установлен нагревательный элемент, регистрация температуры жидкости осуществляется с помощью стеклянного термометра.

На выходе ГЭПР существует возможность установки концентратора магнитной жидкости. Это устройство используется для сбора магнитной жидкости в случае прорыва эластичной оболочки МЖС и попадания МЖ в измеряемую жидкую среду. Принцип действия концентратора магнитной жидкости заключается в удержании электрическим полем определенного количества магнитной жидкости. Разработанный стенд пригоден для исследования характеристик ГЭПР, позволяет проводить эксперименты с диэлектрическими неагрессивными жидкостями. Размеры исследуемых преобразователей должны соответствовать габаритам стенда [2].

Для экспериментальных исследований изготовлен гидроэлектрический преобразователь расхода с МЖС, позволяющий получать данные о величине расхода в виде токового сигнала. Конструктивная схема ГЭПР представлена на рис. 2.

1 - преобразователь расхода; 2 - электромагнитные катушки; 3 - магнитожидкостный сенсор; 4 - крышка

Гидроэлектрический преобразователь расхода представляет собой разъемный корпус цилиндрической формы, выполненный из оргстекла минимальной толщины. В корпусе преобразователя жестко крепится МЖС -тонкостенная оболочка из эластичной резины, заполненная магнитной жидкостью. Место крепления МЖС закрывается крышкой. Для соединения преобразователя с трубопроводом экспериментального стенда применяются переходники, выполненные из латуни. Во избежание утечек рабочей жидкости при соединении трубопровода, корпуса преобразователя с переходниками применяются прокладки, выполненные из маслостойкой резины. На корпусе ГЭПР закреплены электромагнитные катушки, соединенные с измерительным прибором [3, 4].

Характеристики ГЭПР:

диаметр корпуса, м 0,032

длина корпуса, м 0,155

диаметр проточной части, м 0,009

длина проточной части, м 0,125

объем сенсора, м3 0,5 • 10-6

число витков катушки 2000

длина катушки, м 0,017

внешний диаметр катушки, м 0,03

расстояние между центрами катушек, м 0,023

диаметр провода, м 0,18 • 10-

масса, г 55

3

Принцип действия преобразователя: под действием напора жидкости МЖС деформируется, изменяя свое положение относительно электромагнитных катушек. При изменении положения сенсора изменяется индуктивное сопротивление катушек, сигнал с которых передается на измерительный прибор (диапазон измерения 0^1 мА).

Экспериментальные исследования проводились с магнитными жидкостями промышленного изготовления марок Т-40 и С2-40М и эквивалентом магнитной жидкости, содержащим смесь намагниченных металлических опилок и глицерина в соотношении 1/3 соответственно, приготовленным в лабораторных условиях [3].

Рабочая жидкость, применяемая при экспериментальных исследованиях, должна обеспечивать работоспособность и надежность всех узлов гидро-фицированного оборудования. Она выполняет функции смазывающего и охлаждающего агента, защищает детали от коррозии. Наиболее распространены минеральные масла нефтяного происхождения, а также синтетические жидкости на основе эфиров и фтороуглеродных полимеров. Вязкость жидкостей, особенно минеральных масел, меняется при изменении температуры и давления. Поэтому необходимо проводить оценку режимов работы гидрофи-цированного оборудования, а также связанных с ними значений температуры и давлений. Свойства рабочей жидкости влияют на износ и старение конструктивных элементов (материалов уплотнений, различных покрытий), обеспечивающих необходимую надежность гидропривода. Экспериментальные исследования проводились с индустриальными гидравлическими маслами марок И-20, ИГП, турбинным Т22 [5].

В ходе проведения экспериментов получены серии результатов, составляющие массив экспериментальных данных. Первая серия опытов проводилась с использованием эквивалента магнитной жидкости, имеющего следующие характеристики:

объемная концентрация жидкостной фазы, % 10,5 намагниченность насыщения, кА/м 39

По полученным данным построена зависимость силы тока от расхода рабочей жидкости (рис. 3). В результате анализа статической характеристики было выявлено, что расход жидкости пропорционален изменению силы тока.

Рис. 3. Статическая характеристика ГЭПР, эквивалент МЖ, / = 20 °С

Для получения второй серии опытов использовалась магнитная жидкость марки Т-40, имеющая характеристики

плотность магнитной жидкости, кг/м3 1,52 • 103

намагниченность насыщения, кА/м 65

объемная концентрация массы жидкостной фазы, % 16,9

Построена статическая характеристика ГЭПР, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Статическая характеристика ГЭПР, МЖ Т-40, / = 20 °С

Статическая характеристика имеет линейную зависимость. По крутизне статической характеристики можно судить об улучшении чувствительности гидроэлектрического преобразователя расхода, что связано с улучшением магнитных свойств (намагниченность МЖ марки Т-40 выше) используемой магнитной жидкости.

При сопоставлении данных, полученных для магнитной жидкости марки Т-40 и эквивалента МЖ, выявлено, что при работе магнитной жидкости промышленного изготовления сила тока изменяется в более широких пределах при одинаковом давлении. Эквивалент магнитной жидкости может использоваться достаточно малый промежуток времени, так как намагниченность металлических опилок с течением времени снижается, тогда как МЖ марки Т-40 сохраняет свои свойства более длительное время [6].

Выводы

Экспериментальные исследования проводились с использованием магнитных жидкостей различного способа приготовления и состава, с различными магнитными и механическими свойствами.

Эквивалент магнитной жидкости сохраняет магнитные свойства довольно непродолжительное время, что связано с размагничиванием металлических опилок, тогда как магнитная жидкость сохраняет свои свойства довольно длительное время. Следовательно, для увеличения сроков эксплуатации гидроэлектрического преобразователя расхода наиболее рационально использовать специальные магнитные жидкости, изготовленные промышленным способом.

Статическая характеристика ГЭПР имеет прямопропорциональную зависимость изменения силы тока от увеличения или уменьшения расхода жидкости.

Для получения статической характеристики с высокой крутизной необходимо использовать магнитные жидкости промышленного образца с высокими магнитными характеристиками, такими как объемная концентрация массы жидкостной фазы и намагниченность насыщения.

Список литературы

1. Бирюков, Б. В. Точные измерения расхода жидкостей : справ. пособие / Б. В. Бирюков, М. А. Данилов, С. С. Кивилис. - М. : Машиностроение, 1977. - 144 с.

2. Грицюк, С. Н. Магнитожидкостный измеритель расхода диэлектрических жидкостей / С. Н. Грицюк // Современные проблемы электрофизики и электродинамики жидкостей : сб. докл. VIII Междунар. науч. конф. - СПб. : СПбГТУ, 2006. -С. 263-266.

3. Грицюк, С. Н. Измерение расхода диэлектрических сред с помощью магнитожид-костных преобразователей / С. Н. Грицюк // 12-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям : сб. науч. тр. - Иваново, 2006.

4. Кремлевский, П. П. Расходомеры и счетчики количества / П. П. Кремлевский. -Л. : Машиностроение, 1985. - 776 с.

5. Лойцянский, Л. Г. Механика жидкости и газа / Л. Г. Лойцянский. - М. : Наука, 1973. - 902 с.

6. Маркин, Н. С. Основы теории обработки результатов измерений / Н. С. Маркин. -М. : Изд-во стандартов, 1991. - 176 с.

Грицюк Светлана Николаевна

кандидат технических наук, доцент, кафедра информатики и управления в технических системах, Балаковский инженерно-технологический институт, Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» E-mail: g-s-n@mail.ru

Gritsyuk Svetlana Nikolaevna candidate of technical sciences, associate professor, sub-department of informatics and management in technical systems, Balakovo Institute of Engineering and Technology,

National Research Nuclear University MEPhI

УДК 681.5 Грицюк, С. Н.

Исследование статической характеристики гидроэлектрического преобразователя расхода с магнитожидкостным сенсором / С. Н. Грицюк // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. - № 3 (19). - С. 123-129.