RU2620912C1 - Electromagnetic current meter - Google Patents
Electromagnetic current meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2620912C1 RU2620912C1 RU2016117242A RU2016117242A RU2620912C1 RU 2620912 C1 RU2620912 C1 RU 2620912C1 RU 2016117242 A RU2016117242 A RU 2016117242A RU 2016117242 A RU2016117242 A RU 2016117242A RU 2620912 C1 RU2620912 C1 RU 2620912C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- magnets
- magnetic
- axis
- magnetic block
- housing
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/08—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect
- G01P5/086—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring variation of an electric variable directly affected by the flow, e.g. by using dynamo-electric effect by using special arrangements and constructions for measuring the dynamo-electric effect
Landscapes
- Measuring Volume Flow (AREA)
Abstract
Description
Изобретение «Электромагнитный измеритель течений» (ЭМИТ) относится к измерителям скорости и направления течений в морях и пресноводных водоемах на различных глубинах в составе автономных буйковых станций и других неподвижных (малоподвижных) носителей и может применяться при гидрологических исследованиях и инженерных изысканиях в обеспечение строительства гидротехнических сооружений. В ходе выполнения Государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года" предусмотрены мероприятия по обеспечению данными комплексных исследований морской среды, океанов и морей для осуществлении различных видов морской деятельности Российской Федерации (добычи минеральных ресурсов, мореплавания по Северному морскому пути, рыболовства, морского флота и обороны страны).The invention "Electromagnetic current meter" (EMIT) relates to measuring the speed and direction of currents in the seas and freshwater bodies of water at various depths as part of autonomous buoy stations and other stationary (inactive) carriers and can be used in hydrological research and engineering surveys to ensure the construction of hydraulic structures . In the course of the implementation of the State Program of the Russian Federation "Socio-economic development of the Arctic zone of the Russian Federation for the period until 2020", measures are envisaged to provide data from comprehensive studies of the marine environment, oceans and seas to carry out various types of marine activities of the Russian Federation (mining of mineral resources, navigation Northern Sea Route, fishing, navy and national defense).
Одними из важнейших задач по исследованию Арктики являются изучение гидрологического режима вод и течений Северного ледовитого океана, выявление закономерностей дрейфа льдов. Для решения этих задач необходимы измерители течений, способные автономно работать в течение одного года - от навигации до навигации - в диапазоне температур от минус двух градусов до плюс 8 градусов. Инструментальные определения скорости и направления течения совершенно необходимы для верификации различных моделей трехмерного поля скорости течения, которая осуществляется путем сличения результатов измерений и расчетных данных в заданных точках акватории.One of the most important tasks in the study of the Arctic is the study of the hydrological regime of the waters and currents of the Arctic Ocean, the identification of patterns of ice drift. To solve these problems, flow meters are required that can operate autonomously for one year - from navigation to navigation - in the temperature range from minus two degrees to plus 8 degrees. Instrumental definitions of the velocity and direction of the flow are absolutely necessary for verifying various models of the three-dimensional field of the flow velocity, which is carried out by comparing the measurement results and the calculated data at given points in the water area.
Заявитель, ФГБУН «Морской гидрофизический институт РАН», и ООО «Марлин-Юг» участвуют в работах по исследованию арктического бассейна, создавая и применяя приборы, свободно дрейфующие и устанавливаемые на дрейфующих ледовых полях [Опыт применения термопрофилирующих дрифтеров для исследований арктического региона Мирового океана. Арктика: экология и экономика, №1 (21), 2016].Applicant, FSBIU Marine Hydrophysical Institute of the Russian Academy of Sciences, and Marlin-Yug LLC participate in the study of the Arctic basin, creating and using instruments that are freely drifting and installed on drifting ice fields [Experience with the use of thermal profiling drifters for studies of the Arctic region of the World Ocean. Arctic: Ecology and Economics, No. 1 (21), 2016].
Практически все электромагнитные измерители скорости электропроводной жидкости измеряют проекции (компоненты) вектора скорости течения на несколько осей между парами электродов, находящихся в магнитном поле и обтекаемых исследуемым потоком. Модуль вектора скорости и его направление потом определяются через компоненты вектора скорости течения. В электромагнитных датчиках расхода жидкости для определения скорости потока достаточно одной пары электродов, находящихся в магнитном поле и помещенных в какой-либо канал, а расход вычисляется с учетом сечения канала.Almost all electromagnetic velocity meters of electrically conductive liquids measure the projections (components) of the flow velocity vector on several axes between pairs of electrodes in a magnetic field and streamlined by the stream under study. The modulus of the velocity vector and its direction are then determined through the components of the flow velocity vector. In electromagnetic liquid flow sensors, one pair of electrodes located in a magnetic field and placed in a channel is enough to determine the flow rate, and the flow rate is calculated taking into account the channel cross-section.
Учитывая специфику длительных измерений скорости и направления течений в природных водных массах, обладающих достаточно высокой биологической продуктивностью и несущих мелкий рыхлый лед (шуга), прибор не должен иметь внешних по отношению к корпусу подвижных элементов измерительного тракта, подверженных обрастанию и механическим повреждениям, должен быть стойким к действию абразивных частиц взвеси, которых много в прибрежной зоне морей вследствие их выноса реками на значительные расстояния, быть коррозионно-устойчивым по отношению к морской воде.Given the specifics of long-term measurements of the speed and direction of currents in natural water masses, which have a sufficiently high biological productivity and carry fine loose ice (sludge), the device must not have external moving parts of the measuring path external to the body, subject to fouling and mechanical damage, must be stable to the action of abrasive particles of suspension, which are many in the coastal zone of the seas due to their removal by rivers over considerable distances, to be corrosion-resistant with respect to sea water.
Известен Magnetic flow sensor [патент США №6,085,599, МПК G01F 1/58, опубл. 11.07.2000] - магнитный датчик для измерения расхода потока электропроводной жидкости. Датчик включает: корпус, расположенный в потоке жидкости; по крайней мере две пары постоянных магнитов, объединенных в магнитный блок, который расположен внутри корпуса для обеспечения магнитного потока, ортогонального направлению потока жидкости; привод механического перемещения магнитов и чередования полярности магнитного потока для получения переменного электрического напряжения в жидкости, имеющего величину, пропорциональную скорости потока жидкости; по крайней мере два электрода для контакта с жидкостью и съема напряжения переменного тока, закрепленные на корпусе и расположенные друг против друга на противоположных сторонах проточной части перпендикулярно направлению потока жидкости.Known Magnetic flow sensor [US patent No. 6.085.599, IPC
Этот аналог имеет следующие признаки, сходные с существенными признаками заявленного изобретения: цилиндрический немагнитный корпус, в котором установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок из по крайней мере двух пар постоянных магнитов с чередующейся полярностью; закрепленные на корпусе и подключенные к блоку электроники несколько пар электродов, рабочие поверхности которых расположены в потоке жидкости в зоне поля магнитного блока.This analogue has the following features similar to the essential features of the claimed invention: a cylindrical non-magnetic casing in which a magnetic block of at least two pairs of permanent magnets with alternating polarity is mounted with a possibility of rotation about its axis; several pairs of electrodes mounted on the housing and connected to the electronics block, the working surfaces of which are located in the fluid flow in the field zone of the magnetic block.
Этот датчик при всем разнообразии его исполнений (58 вариантов) имеет ряд существенных недостатков.This sensor, with all the variety of its versions (58 variants), has a number of significant drawbacks.
Недостатками этого типа датчика являются следующие:The disadvantages of this type of sensor are as follows:
- расположение электродов вблизи плоского дна корпуса приемлемо только при расположении датчика в каком-либо канале, когда исключается набегание потока на корпус под углом, существенно отличающимся от 90° относительно его оси; в противном случае образуется сильно турбулизированная область около электродов, искажающая поле скорости потока, вследствие влияния перехода плоское дно - цилиндрическая поверхность корпуса; но даже при 90° этот переход вносит серьезные искажения потока;- the location of the electrodes near the flat bottom of the housing is acceptable only when the sensor is located in any channel, when the flow on the housing is excluded at an angle significantly different from 90 ° relative to its axis; otherwise, a strongly turbulized region near the electrodes is formed, distorting the flow velocity field due to the effect of the transition flat bottom - cylindrical surface of the housing; but even at 90 ° this transition introduces serious flow distortions;
- отсутствие концентраторов магнитного поля, в силу выбранной ориентации магнитов, и, как следствие, пониженная чувствительность измерителя;- the absence of magnetic field concentrators, due to the chosen orientation of the magnets, and, as a consequence, the reduced sensitivity of the meter;
- избыточное число электродов при измерении двух компонент вектора скорости течения - восемь электродов (вместо оптимально четырех, как в заявляемом изобретении);- an excess number of electrodes when measuring two components of the current velocity vector — eight electrodes (instead of optimally four, as in the claimed invention);
- минимальное число магнитов для данного способа создания переменного магнитного поля - четыре магнита; большее число магнитов позволяет уменьшить скорость вращения магнитной системы и снизить потребление энергии электродвигателем или, не изменяя скорость, увеличить частоту модуляции, что необходимо при большой временной изменчивости исследуемого потока.- the minimum number of magnets for this method of creating an alternating magnetic field is four magnets; a larger number of magnets can reduce the rotation speed of the magnetic system and reduce the energy consumption of the electric motor or, without changing the speed, increase the modulation frequency, which is necessary with a large temporal variability of the studied flow.
Известна поданная на государственную регистрацию разработка заявителя - изобретение «Электромагнитный измеритель компонент вектора скорости течения электропроводной жидкости» [заявка №2014152775/28(084350), дата подачи заявки 24.12.2014, авторы: В.А. Барабаш, М.С. Воликов, В.З. Дыкман]. Это техническое решение по совокупности признаков является наиболее близким к заявляемому изобретению и поэтому выбрано в качестве прототипа.The applicant’s development submitted for state registration is known - the invention “An electromagnetic meter of the components of the velocity vector of the conductive fluid” [application No. 2014152775/28 (084350), application filing date 12.24.2014, authors: V.A. Barabash, M.S. Volikov, V.Z. Dykman]. This technical solution for the totality of features is the closest to the claimed invention and therefore is selected as a prototype.
Прототип содержит следующие признаки, совпадающие с существенными признаками изобретения: прочный цилиндрический немагнитный корпус удлиненной формы с заданным соотношением длины и диаметра, в котором установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок из по крайней мере двух пар постоянных магнитов с чередующейся полярностью, ориентированных так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока; закрепленные на корпусе несколько пар электродов, рабочие поверхности которых расположены в жидкости в зоне концентрации поля магнитного блока; на каждом из магнитов на его полюсах закреплены наконечники из магнитомягкого материала, свободные концы которых расположены на заданном расстоянии от рабочих поверхностей электродов.The prototype contains the following features that coincide with the essential features of the invention: a durable cylindrical non-magnetic elongated body with a given ratio of length and diameter, in which a magnetic block of at least two pairs of permanent magnets with alternating polarity, oriented so that that the magnetic field is directed along the axis of rotation of the magnetic block; several pairs of electrodes mounted on the housing, the working surfaces of which are located in a liquid in the concentration field of the magnetic block field; on each of the magnets at its poles fixed tips of magnetically soft material, the free ends of which are located at a given distance from the working surfaces of the electrodes.
При всех своих положительных свойствах, обеспечивающих надежность работы при океанографических измерениях, прототип имеет один существенный недостаток: для обеспечения вращения магнитного блока в конструкции прототипа используется микродвигатель, который по своей сути является коллекторным двигателем постоянного тока. В конкретном примере исполнения прототипа используется микродвигатель ИДР-6М, который удовлетворяет требованиям по потреблению электроэнергии. Однако все подобные двигатели имеют ограниченный ресурс, например ИДР-6М по паспорту - 500 часов, что никак не согласуется с требованием обеспечения непрерывной работы измерителя в течение одного года.For all its positive properties, which ensure reliable operation during oceanographic measurements, the prototype has one significant drawback: to ensure the rotation of the magnetic unit in the design of the prototype, a micromotor is used, which in essence is a DC collector motor. In a specific example of the execution of the prototype, the IDR-6M micromotor is used, which meets the requirements for electricity consumption. However, all such engines have a limited resource, for example IDR-6M according to the passport - 500 hours, which is in no way consistent with the requirement to ensure continuous operation of the meter for one year.
Ниже показано, что и другие импортные микродвигатели по совокупности параметров потребления и ресурса не подходят для решения поставленной задачи.It is shown below that other imported micromotors in terms of the combination of consumption and resource parameters are not suitable for solving the task.
В основу изобретения поставлена задача создания электромагнитного измерителя скорости течения электропроводной жидкости с сохранением улучшенных метрологических и эксплуатационных характеристик, свойственных прототипу, совокупность существенных признаков которого обеспечивает достижение технического результата - увеличение длительности автономной работы при измерениях параметров поля скорости течений в морях и пресноводных бассейнах и увеличение ресурса работы измерителя: автономность должна составлять до одного года, ресурс - несколько годовых циклов работы.The basis of the invention is the task of creating an electromagnetic meter for the flow velocity of an electrically conductive liquid while maintaining the improved metrological and operational characteristics inherent in the prototype, the set of essential features of which ensures the achievement of a technical result — an increase in the duration of autonomous operation when measuring the parameters of the current velocity field in the seas and freshwater pools and increase the resource meter operation: autonomy should be up to one year, resource - several annual work cycles.
Поставленная задача решается тем, что в электромагнитном измерителе течений, который содержит прочный цилиндрический немагнитный корпус удлиненной формы с заданным соотношением длины и диаметра (обеспечивающим оптимальный режим обтекания корпуса потоком жидкости), в котором установлен с возможностью вращения относительно его оси магнитный блок из по крайней мере двух пар постоянных магнитов с чередующейся полярностью, ориентированных так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока, и закрепленные на корпусе несколько пар электродов, рабочие поверхности которых расположены в исследуемой жидкости в зоне концентрации поля магнитного блока, при этом на каждом из магнитов на его полюсах закреплены наконечники из магнитомягкого материала, свободные концы которых расположены на заданном расстоянии от рабочих поверхностей электродов (в зависимости от предельной глубины погружения измерителя и, соответственно, от необходимой толщины стенки прочного корпуса), новым является то, что движение магнитного блока обеспечивается не самостоятельным устройством, как в прототипе - двигателем постоянного тока, который может быть выбран из числа известных, а специально созданной для решения поставленной задачи совокупностью конструктивных элементов (эта совокупность в дальнейшем для удобства именуется «привод»), которая включает в себя, в том числе, и вышеупомянутые конструктивные элементы самого измерителя.The problem is solved in that in an electromagnetic current meter, which contains a durable cylindrical non-magnetic elongated body with a given ratio of length and diameter (providing an optimal flow of fluid around the body), in which a magnetic unit of at least two pairs of permanent magnets with alternating polarity, oriented so that the magnetic field is directed along the axis of rotation of the magnetic block, and fixed to the housing how many pairs of electrodes, the working surfaces of which are located in the liquid under study in the field of concentration of the field of the magnetic block, while on each of the magnets at its poles there are fixed tips of magnetically soft material, the free ends of which are located at a given distance from the working surfaces of the electrodes (depending on the maximum depth immersion of the meter and, accordingly, from the required wall thickness of a durable case), the new thing is that the movement of the magnetic block is not ensured by an independent arrangement property, as in the prototype - a DC motor, which can be selected from among the known, and specially created to solve the problem set of structural elements (this set is hereinafter referred to as a “drive” for convenience), which includes, inter alia, and the aforementioned structural elements of the meter itself.
А именно: для создания переменного магнитного поля совершенно необязательно непрерывно вращать магнитный блок, достаточно совершать возвратно-вращательные движения на угол, обеспечивающий смену направления магнитного поля при движении постоянных магнитов с чередующейся полярностью. При восьми магнитах необходимый угол составляет ±45 градусов.Namely: to create an alternating magnetic field, it is absolutely not necessary to continuously rotate the magnetic block, it is enough to make rotational movements at an angle that provides a change in the direction of the magnetic field during the movement of permanent magnets with alternating polarity. With eight magnets, the required angle is ± 45 degrees.
Для обеспечения такого движения магнитного блока привод в заявленном устройстве, обеспечивающий механическое перемещение магнитов и чередование полярности магнитного потока в зоне электродов, содержит по крайней мере одну пару дополнительных постоянных магнитов. Каждая пара этих дополнительных магнитов установлена на заданном расстоянии от магнитного блока, исключающем их взаимодействие. Каждая пара этих дополнительных магнитов расположена перпендикулярно оси вращения магнитного блока. В каждой этой паре дополнительных магнитов один магнит установлен в корпусе неподвижно, а другой - на оси вращения магнитного блока. Привод содержит также катушку индуктивности, которая расположена на заданном расстоянии от магнитов магнитного блока (в зависимости от необходимых силы и дистанции взаимодействия магнитов и катушки). Ось катушки индуктивности параллельна оси вращения магнитного блока и лежит на окружности, которая образована вращением вокруг оси магнитного блока геометрических осей магнитов этого магнитного блока. Катушка индуктивности подключена к блоку электроники, генерирующему импульсы тока, питающего катушку и, тем самым, обеспечивающему возвратно-вращательное движение магнитного блока на заданный угол (±45 градусов) и с заданной частотой - в зависимости от области применения измерителя, т.е. от степени временной изменчивости исследуемого потока (исследования глубоководные или в поверхностном взволнованном слое моря и т.п.).To ensure such movement of the magnetic block, the drive in the claimed device, providing mechanical movement of the magnets and alternating polarity of the magnetic flux in the area of the electrodes, contains at least one pair of additional permanent magnets. Each pair of these additional magnets is installed at a predetermined distance from the magnetic block, excluding their interaction. Each pair of these additional magnets is perpendicular to the axis of rotation of the magnetic block. In each pair of additional magnets, one magnet is fixed in the housing and the other on the axis of rotation of the magnetic block. The drive also contains an inductor, which is located at a predetermined distance from the magnets of the magnetic unit (depending on the required strength and distance of interaction of the magnets and the coil). The axis of the inductor is parallel to the axis of rotation of the magnetic block and lies on a circle that is formed by rotation around the axis of the magnetic block of the geometric axes of the magnets of this magnetic block. The inductor is connected to an electronics unit that generates pulses of current that feeds the coil and, thus, provides the reciprocating movement of the magnetic unit at a given angle (± 45 degrees) and at a given frequency, depending on the scope of the meter, i.e. on the degree of temporary variability of the studied stream (deep-sea studies or in the surface excited sea layer, etc.).
Подчеркнем, что в прототипе вращающиеся магниты магнитного блока служат только для создания переменного магнитного поля в приэлектродной области. В заявленном измерителе магниты магнитного блока (преимущественно их восемь) выполняют не только указанную функцию, но вместе с катушкой индуктивности и блоком электроники привода создают знакопеременный вращающий момент, обеспечивающий возвратно-вращательное движение магнитного блока.We emphasize that in the prototype the rotating magnets of the magnetic block serve only to create an alternating magnetic field in the near-electrode region. In the inventive meter, the magnets of the magnetic unit (mainly eight of them) perform not only the specified function, but together with the inductor and the drive electronics create an alternating torque that provides the reverse-rotation movement of the magnetic unit.
Сущность изобретения поясняется со ссылкой на иллюстрации, на которых изображено: фиг. 1 - продольный разрез секции корпуса измерителя с приводом; фиг. 2 - поперечный ступенчатый разрез Α-A привода с показом места крепления катушки индуктивности и двумя парами дополнительных магнитов; фиг. 3 - зависимость ресурса привода от скорости вращения; фиг. 4 - область оптимальных рабочих режимов привода; фиг. 5 - внешний вид привода; фиг. 6 - таблица с данными о потерях от вихревых токов.The invention is illustrated with reference to illustrations, which depict: FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a meter body section with a drive; FIG. 2 is a transverse stepped section Α-A of the drive showing the mounting location of the inductor and two pairs of additional magnets; FIG. 3 - dependence of the drive resource on the rotation speed; FIG. 4 - region of optimal operating modes of the drive; FIG. 5 - appearance of the drive; FIG. 6 is a table with data on eddy current losses.
ЭМИТ содержит (фиг. 1, 2) цилиндрический сборный корпус, который выполнен из прочного немагнитного материала и имеет несколько секций, соединенных прочно и герметично между собой, образуя удлиненную форму с заданным соотношением длины и диаметра. На фиг. 1, 2 приведена секция 1 корпуса, в которой установлен с возможностью вращения относительно оси корпуса магнитный блок, который выполнен в виде диска и содержит по крайней мере две пары постоянных магнитов 2, установленных с чередующей полярностью так, что магнитное поле направлено вдоль оси вращения магнитного блока. Преимущественно магнитный блок одержит четыре пары магнитов. В данном случае магниты 2 выполнены круглыми и плоскими. Магниты 2 установлены равномерно по окружности и на заданном расстоянии друг от друга, что исключает их взаимное ослабление. На каждом из магнитов 2 на его полюсах закреплены полюсные наконечники 3 из магнитомягкого материала в виде плоских накладок заданной толщины и диаметром, равным диаметру магнитов, создающие зону концентрации магнитного поля.EMIT contains (Fig. 1, 2) a cylindrical prefabricated housing, which is made of durable non-magnetic material and has several sections connected firmly and tightly to each other, forming an elongated shape with a given ratio of length and diameter. In FIG. 1, 2 shows a
На внешней поверхности секции 1 закреплены несколько пар электродов 4, рабочие поверхности которых расположены в исследуемой жидкости в зоне концентрации поля магнитного блока. ЭМИТ преимущественно содержит две такие пары электродов, которые расположены в двух взаимно ортогональных осевых плоскостях секции 1. В данном случае электроды 4 имеют цилиндрическую форму и ориентированы вдоль корпуса измерителя. Рабочие поверхности электродов 4 расположены на заданном расстоянии от свободных концов полюсных наконечников 3 магнитов 2. Электроды 4 в данном случае закреплены герметично в проходных отверстиях металлического прочного корпуса секции 1 и изолированы от него. Для исключения шунтирования полезного сигнала, снимаемого с электродов, металлический прочный корпус секции 1 в зоне расположения электродов 4 имеет электроизоляционное покрытие (лакокрасочное или из диэлектрической пленки).On the outer surface of
Рабочие поверхности электродов 4 расположены в зоне минимального искажения поля скорости течения в приэлектродной области, что позволяет правильно формировать диаграмму направленности системы пар электродов.The working surfaces of the
Магнитный блок установлен на валу 5 через пару шарикоподшипников 6, которые в гнезде магнитного блока закреплены крышкой 7, которая выполнена с длинной опорой. ЭМИТ содержит по крайней мере одну пару дополнительных постоянных магнитов 8 и 9. Преимущественно - содержит две такие пары, которые расположены диаметрально. Каждая пара дополнительных постоянных магнитов 8, 9 расположена на заданном расстоянии от магнитов 2 и установлена перпендикулярно оси вращения магнитного блока.The magnetic block is mounted on the
Один из магнитов каждой пары дополнительных постоянных магнитов - магнит 8 - закреплен на конце длинной опоры крышки 7, и эти магниты совершают синхронное движение с магнитным блоком.One of the magnets of each pair of additional permanent magnets - magnet 8 - is mounted on the end of the long support of the
Другой магнит каждой пары дополнительных постоянных магнитов - магнит 9 – неподвижен, и эти магниты установлены на немагнитном основании 10, расположенном в секции 1.Another magnet of each pair of additional permanent magnets - magnet 9 - is stationary, and these magnets are mounted on a
ЭМИТ содержит катушку индуктивности 11, которая установлена на заданном расстоянии от магнитов 2 магнитного блока и закреплена на основании 10 так, что ее ось параллельна оси вращения магнитного блока и лежит на окружности, образованной вращением вокруг оси магнитного блока геометрических осей магнитов 2 этого блока. Катушка индуктивности 11 подключена к блоку электроники привода (на чертеже не изображен), который генерирует импульсы тока, питающие катушку и, тем самым, обеспечивает возвратно-вращательное движение магнитного блока с заданной частотой на заданный угол.EMIT contains an
Фактически привод представляет собой маятник с известной инерционной массой (массой магнитного блока) и действующей на нее упругой силой, создаваемой взаимным притяжением магнитов 8 и 9, и имеющий вполне определенную резонансную частоту.In fact, the drive is a pendulum with a known inertial mass (the mass of the magnetic block) and the elastic force acting on it, created by the mutual attraction of
Устройство ЭМИТ работает следующим образом. При включении питания блок электроники привода формирует в катушке индуктивности 11 импульсы тока определенной длительности, следующие с частотой, близкой к резонансной частоте маятника. В течение времени, определяемого добротностью резонансной системы маятника, амплитуда (угол) качания (возвратно-вращательного движения) увеличивается до некого установившегося значения. Как только магнитный блок начинает двигаться, блок электроники, формирующий в катушке индуктивности 11 импульсы тока, начинает синхронизироваться самим маятником, вследствие чего его движения происходят на резонансной частоте. В случае остановки возвратно-вращательного движения магнитного блока блок электроники привода опять начинает формировать в катушке индуктивности 11 импульсы тока, следующие с частотой, близкой к резонансной частоте маятника. С течением времени амплитуда (угол) качания (возвратно-вращательного движения) увеличивается до некого установившегося значения.The EMIT device operates as follows. When the power is turned on, the drive electronics block generates current pulses of a certain duration in the
При прохождении мимо каждого из четырех электродов 4 области концентрированного (с помощью полюсных наконечников 3) магнитного поля различного направления на электродах 4 возникают потенциалы разного знака. Разность переменных по знаку потенциалов каждой пары электродов 4 поступает на входы элементов блока электроники измерителя (на чертеже не изображен) - дифференциального инструментального усилителя, а затем на полосовой фильтр и синхронный детектор. Синхронным детектором управляет датчик Холла (на чертеже не изображен), определяющий в каждый момент времени направление магнитного поля, а значит, и фазу переменного напряжения, поступающего после усиления и фильтрации на синхронный детектор.When each of the four
Для исключения фазовых искажений фильтруемых сигналов скорость углового движения магнитного блока, а значит, и частота усиливаемого переменного напряжения должна быть стабильна, что и обеспечивается самим принципом работы привода - принципом маятника, имеющего стабильную частоту качания при стабильности его массы и упругой силы - силы притяжения магнитов 8 и 9.To exclude phase distortions of the filtered signals, the speed of the angular movement of the magnetic unit, and hence the frequency of the amplified alternating voltage, must be stable, which is ensured by the principle of operation of the drive — the principle of a pendulum having a stable oscillation frequency with stability of its mass and elastic force — magnet
Такой привод не имеет относительно недолговечных коллектора и щеток - необходимых атрибутов электродвигателя постоянного тока. Подвергающийся механическому износу единственный узел - шарикоподшипник, несущий магнитный блок, имеет несравненно больший ресурс, чем коллекторно-щеточный узел.Such a drive does not have a relatively short-lived collector and brushes - the necessary attributes of a DC motor. The only unit subject to mechanical wear - a ball bearing that carries a magnetic unit, has an incomparably longer resource than a collector-brush unit.
Для оценки достоинства заявленного изобретения с таким приводом приведем величины энергопотребления и моторесурса нескольких типов микромощных электродвигателей постоянного тока, которые на разных стадиях разработки были использованы в прототипе для обеспечения движения магнитного блока:To assess the merits of the claimed invention with such a drive, we present the energy consumption and motor resource of several types of micropower DC motors, which at different stages of development were used in the prototype to ensure the movement of the magnetic block:
- микромощный коллекторный интегрирующий двигатель постоянного тока с редуктором ИДР-6М (отечественного производства) с потреблением менее 1 мА при напряжении 3.5 В и 22 об/мин на холостом ходу, что практически отвечает реальной нагрузке, создаваемой вращающейся системой магнитов на подшипниковых опорах в отсутствие значительных вихревых токов, возбуждаемых в металлических элементах корпуса датчика и окружающей среде и нагружающих двигатель;- a micropower collector DC integrating motor with an IDR-6M gearbox (domestic production) with a consumption of less than 1 mA at a voltage of 3.5 V and 22 rpm at idle, which practically corresponds to the real load created by a rotating system of magnets on bearing bearings in the absence of significant eddy currents excited in the metal elements of the sensor housing and the environment and loading the engine;
- микромощный импортный коллекторный двигатель с редуктором - (FAULHABER MINIMOTOR SA, Precious Metal Commutation 1512U012SR 39:1) с потреблением около 4 мА при установленном напряжении 4.5 В и также обеспечивающий 22 об/мин на холостом ходу.- a micropower imported collector motor with gearbox - (FAULHABER MINIMOTOR SA, Precious Metal Commutation 1512U012SR 39: 1) with a consumption of about 4 mA at a set voltage of 4.5 V and also providing 22 rpm at idle.
Сравнение характеристик обоих типов двигателей не выявило преимуществ какого-либо из них. ИДР-6М потребляет менее 3 мВт, но имеет ресурс 500 часов.A comparison of the characteristics of both types of engines did not reveal the advantages of any of them. IDR-6M consumes less than 3 mW, but has a resource of 500 hours.
Требуемый ресурс для обеспечения работы в арктических условиях (от навигации до навигации) должен быть не менее: 365 сут × 24 ч = 8760 ч за одну постановку. Если измеритель должен отработать по крайней мере в течение 3-х постановок, то ресурс должен составлять 26280 часов.The required resource for ensuring work in arctic conditions (from navigation to navigation) must be at least: 365 days × 24 hours = 8760 hours in one setting. If the meter should work out for at least 3 settings, then the resource should be 26,280 hours.
Импортный двигатель 1512U012SR также коллекторный, поэтому не имеет большого ресурса при установленной скорости вращения, составляющей 30% от максимальной, что и подтверждается фиг. 3 и 4, взятыми из технического описания изготовителя этого двигателя. Кроме того, он потребляет 18 мВт - в шесть раз больше, чем ИДР-6М, и в два раза больше установленного лимита ~10 мВт, стоимость его составляет около 200$, а применение его никак не соответствует при серийном производстве программе импортозамещения.The imported engine 1512U012SR is also a collector one, therefore it does not have a large resource at a set rotation speed of 30% of the maximum, which is confirmed by FIG. 3 and 4, taken from the technical description of the manufacturer of this engine. In addition, it consumes 18 mW - six times more than IDR-6M, and twice the established limit of ~ 10 mW, its cost is about $ 200, and its use does not correspond to the import substitution program in serial production.
Оценка энергетических затрат бесколлекторных двигателей, имеющих значительно больший ресурс по сравнению с коллекторными, показала, что они менее экономичны. Двигатель той же фирмы FAULHABER Micro Brushless DC-Motor Electronic Commutation 0,012 mNm потребляет при напряжении 1 В ток 32 мА или 32 мВт, хотя и обладает большим ресурсом, но в 4 раза менее экономичен, чем созданный заявителем.Evaluation of the energy costs of brushless motors, which have a significantly longer resource compared to collector motors, showed that they are less economical. The engine of the same company, FAULHABER Micro Brushless DC-Motor Electronic Commutation 0.012 mNm, consumes 32 mA or 32 mW at 1 V, although it has a large resource, but is 4 times less economical than that created by the applicant.
Испытания, выполненные заявителем на созданном действующем макете привода, показанном на фиг.5, показали среднее потребление механизма 2.5 мА (при импульсном токе около 50 мА) и напряжении питания 3.3 В, т.е. 8.25 мВт. Следует учесть, что механизм действующего макета привода был изготовлен в макетных мастерских заявителя на станочном оборудовании класса H - нормальной точности, к которому относится большинство универсальных станков. Следует ожидать, что применяя высокоточное оборудование, используемое в приборостроении класса В - станки высокой точности, можно существенно снизить потери в подвижных узлах привода, а значит, и потребляемую мощность до величины, определенной ниже.Tests performed by the applicant on the created current drive layout, shown in Fig. 5, showed an average consumption of the mechanism of 2.5 mA (with a pulsed current of about 50 mA) and a supply voltage of 3.3 V, i.e. 8.25 mW. It should be noted that the mechanism of the current drive layout was made in the applicant's mock workshops on class H machine tools - normal accuracy, to which most universal machines belong. It should be expected that using high-precision equipment used in class B instrument engineering - high-precision machine tools, it is possible to significantly reduce losses in the moving parts of the drive, and therefore, power consumption to a value defined below.
Что касается ресурса такого привода, то, учитывая очень низкую возвратно-вращательную скорость, около 90 град./с, эквивалентную 0.25 об/с или 15 об/мин, отсутствие коллекторно-щеточного узла и чрезвычайно малую нагрузку, время жизни такого привода будет определяться только применяемыми подшипниками и для выбранного класса составляет 40-60 тысяч часов.As for the resource of such a drive, given the very low rotational speed, about 90 degrees / s, equivalent to 0.25 r / s or 15 r / min, the absence of a collector-brush assembly and an extremely low load, the lifetime of such a drive will be determined only with bearings used and for the selected class is 40-60 thousand hours.
Определим ожидаемое минимально возможное потребление электроэнергии разработанным приводом.We determine the expected minimum possible energy consumption by the developed drive.
Колебание некой инерционной массы, снабженной упругим элементом - это фактически колебания системы, на собственной резонансной частоте, что обеспечивает необходимую стабильность частоты при стабильности массы и упругого элемента (по аналогии пружины маятника), роль которого выполняет сила притяжения магнитов 8 и 9. Потери энергии в такой механической системе определяются трением в подшипниках вала с магнитами (магнитного блока), действием вихревых токов, возбуждаемых в металлическом корпусе прибора и проводящей окружающей среде, а также потерями в упругом элементе, которые в конструкции данного привода отсутствуют.The oscillation of a certain inertial mass equipped with an elastic element is actually the oscillations of the system at its own resonant frequency, which provides the necessary frequency stability with the stability of the mass and the elastic element (by analogy with the pendulum spring), whose role is played by the attractive force of
Так как проводимость морской воды на несколько порядков меньше проводимости металла корпуса прибора, мы эту составляющую потерь не определяли. Оценить экспериментально потери на вихревые токи порядка единиц милливатт не представлялось возможным. Учитывая это, привод приводился в движение внешним достаточно мощным двигателем (единицы ватт) со скоростью (2000 об/мин), значительно превышающей рабочую. Для такой большой скорости, превышающей рабочую в 45 раз, достаточно просто было определить потери от действия вихревых токов. Одновременно были сделаны оценки величины потерь от вида металла прочного корпуса.Since the conductivity of seawater is several orders of magnitude lower than the conductivity of the metal of the instrument body, we did not determine this loss component. It was not possible to estimate experimentally the eddy current loss of the order of milliwatts. Given this, the drive was driven by an external sufficiently powerful engine (units of watts) at a speed (2000 rpm), significantly exceeding the working one. For such a high speed exceeding the working one by a factor of 45, it was simple enough to determine the losses from the action of eddy currents. At the same time, estimates were made of the magnitude of losses from the type of metal of the durable housing.
В ходе проверки потерь от действия вихревых токов они были оценены при напряжении питания внешнего двигателя 12 В и двух материалах металлического стакана, имитирующего прочный корпус 1: сталь Ст3 по ГОСТ 380-2005 и нержавеющая сталь марки 12Х18Н10 по ГОСТ 9940 - 81.During the check of losses from the action of eddy currents, they were estimated at a supply voltage of an external motor of 12 V and two materials of a metal cup simulating a robust housing 1: St3 steel according to GOST 380-2005 and stainless steel 12X18H10 according to GOST 9940 - 81.
Получены результаты:The results are:
- при скорости вращения 2000 об/мин потребление при надетом стакане из стали Ст3 составляет 2.9 Вт, при снятом стакане - 0.4 Вт, следовательно, потери составляют 2.5 Вт;- at a rotation speed of 2000 rpm, consumption when wearing a glass of St3 steel is 2.9 W, when the glass is removed - 0.4 W, therefore, the loss is 2.5 W;
- при скорости вращения 2000 об/мин потребление при надетом стакане из нержавеющей стали составляет 0.98 Вт, при снятом стакане - 0.4 Вт, следовательно, потери составляют 0.58 Вт.- at a rotation speed of 2000 rpm, the consumption when a stainless steel beaker is put on is 0.98 W, and when the beaker is removed, it is 0.4 W; therefore, the loss is 0.58 W.
Потери от действия вихревых токов при скорости вращения 44 об/мин согласно квадратичной зависимости потерь от частоты переменного магнитного поля (скорости вращения магнитного блока) на основании расчета составили 0,0012 Вт для корпуса из Ст3 и 2,8×10-4 Вт из стали 12Х18Н10 в соответствии с различием их удельной электрической проводимости. Данные о потерях отражены в таблице на фиг. 6.The losses due to the action of eddy currents at a rotation speed of 44 rpm, according to the quadratic dependence of the losses on the frequency of an alternating magnetic field (rotation speed of the magnetic block), based on the calculation, were 0.0012 W for a case made of St3 and 2.8 × 10 -4 W made of steel 12X18H10 in accordance with the difference in their specific electrical conductivity. Loss data is shown in the table in FIG. 6.
Для того чтобы маятник мог совершать движения в установившемся режиме, потери должны быть скомпенсированы. Для разных материалов прочного корпуса эти потери разные, но не более 1.2 мВт. Вот такого порядка величины можно ожидать минимальное потребление разработанного привода.In order for the pendulum to be able to move in the steady state, the losses must be compensated. For different materials of a durable case, these losses are different, but not more than 1.2 mW. Here such an order of magnitude can be expected minimum consumption of the developed drive.
В конкретном примере осуществления изобретения магнитный блок содержит четыре пары магнитов, что позволяет снизить скорость его движения (амплитуду качаний) и, следовательно, снизить потребление электроэнергии, что очень важно для решения поставленной задачи. В этом примере осуществления изобретения привод электромагнитного измерителя содержит две пары дополнительных магнитов, что обеспечивает требуемую упругую силу в заданном диапазоне качания ±45 градусов.In a specific embodiment of the invention, the magnetic block contains four pairs of magnets, which allows to reduce its speed (swing amplitude) and, therefore, to reduce power consumption, which is very important for solving the problem. In this example embodiment of the invention, the drive of the electromagnetic meter contains two pairs of additional magnets, which provides the required elastic force in a given swing range of ± 45 degrees.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016117242A RU2620912C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Electromagnetic current meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016117242A RU2620912C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Electromagnetic current meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2620912C1 true RU2620912C1 (en) | 2017-05-30 |
Family
ID=59032444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016117242A RU2620912C1 (en) | 2016-04-29 | 2016-04-29 | Electromagnetic current meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2620912C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4434666A (en) * | 1979-04-05 | 1984-03-06 | National Research Development Corporation | Electromagnetic flowmeters and methods for measuring flow |
| RU2050547C1 (en) * | 1991-04-11 | 1995-12-20 | Морской гидрофизический институт АН Украины | Current meter |
| US6085599A (en) * | 1995-04-26 | 2000-07-11 | Feller; Murray F. | Magnetic flow sensor |
| RU112770U1 (en) * | 2011-09-22 | 2012-01-20 | Учреждение Российской академии наук Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН (ТОИ ДВО РАН) | SYSTEM FOR DETERMINING THE CURRENT SPEED PROFILE |
-
2016
- 2016-04-29 RU RU2016117242A patent/RU2620912C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4434666A (en) * | 1979-04-05 | 1984-03-06 | National Research Development Corporation | Electromagnetic flowmeters and methods for measuring flow |
| RU2050547C1 (en) * | 1991-04-11 | 1995-12-20 | Морской гидрофизический институт АН Украины | Current meter |
| US6085599A (en) * | 1995-04-26 | 2000-07-11 | Feller; Murray F. | Magnetic flow sensor |
| RU112770U1 (en) * | 2011-09-22 | 2012-01-20 | Учреждение Российской академии наук Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН (ТОИ ДВО РАН) | SYSTEM FOR DETERMINING THE CURRENT SPEED PROFILE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Hou et al. | A rotational pendulum based electromagnetic/triboelectric hybrid-generator for ultra-low-frequency vibrations aiming at human motion and blue energy applications | |
| EP3250895A1 (en) | Force measurement device | |
| ATE530918T1 (en) | MEMS ACCELEROMETER WITH FLUX CONCENTRATOR BETWEEN PARALLEL MAGNETS | |
| RU2620912C1 (en) | Electromagnetic current meter | |
| CN104034917A (en) | Shaft sleeve type permanent magnet rotation angle acceleration sensor | |
| CN110224555B (en) | Low-magnetic-resistance magnetoelectric device | |
| CN102226813B (en) | Omnidirectional current meter of coupled water quality sensor | |
| CN208721168U (en) | Electromagnetic flowmeter | |
| CN106030261B (en) | Turbine engine components for measuring the vibration that rotating vane is born | |
| CN104483510B (en) | A kind of measuring method for measuring rotary acceleration sensors | |
| Faria et al. | Optimization of an electromagnetic generator for underwater energy harvester | |
| RU2656351C2 (en) | Low-speed linear magnetoelectric generator with flat coils (tilimeg fc) | |
| Qin et al. | Numerical and experimental analysis of a novel linear wave energy harvester | |
| RU2606340C2 (en) | Electromagnetic meter of electroconductive fluid flow velocity vector components | |
| RU177322U1 (en) | SCREW MICROHES | |
| CN203929801U (en) | Axle sleeve type permanent magnetism rotating angular acceleration sensor | |
| RU178417U1 (en) | MAGNETIC STRUCTURE SCOPE | |
| Zhang et al. | Leakage magnetic field of bldcm based on comsol multiphysics | |
| JP2021060309A (en) | Rotation detector | |
| Olgeirsson | Self-sustaining power supply for a low-power sea buoy | |
| RU2528435C2 (en) | Direct current generator | |
| CN201885717U (en) | Electromagnetic induction north finder | |
| JP6391670B2 (en) | Device for measuring liquid flow rate | |
| Ersoy | Vortex with the Formation of Electricity Generation and System Modelling | |
| CN211348179U (en) | High-precision water quality detection device |