CC BY
23
УДК 537.621.2
ОЦЕНКА МАГНЕТОСОПРОТИВЛЕНИЯ МЕДНОГО ПРОВОДА КОНТРОЛЬНОГО ДАТЧИКА КАСАНИЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОДАЧИ ГЛИНОЗЕМА В СЛАБОМ ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ ЭЛЕКТРОЛИЗНОГО ЦЕХА ПРОИЗВОДСТВА АЛЮМИНИЯ
А.М.Захаров1
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрены условия увеличения магнетосопротивления медного проводника контрольно-измерительной системы в слабом поперечном магнитном поле. Качественная сторона возникновения магнетосопротивления оценена сравнением длины свободного пробега электрона в электрическом поле с характерным размером траектории электрона при совместном действии электрического и магнитного полей. Библиогр. 3 назв. Ил. 2.
Ключевые слова: магнитное сопротивление, магнетосопротивление, магниторезистивный эффект, изменение сопротивления материалов в магнитном поле, интеллектуальная система автоматической подачи глинозема, система АПГ, датчик касания цилиндра-пробойника.
THE ESTIMATION OF MAGNETORESISTANCE OF A COPPER WIRE OF THE TOUCH CONTROLLING SENSOR OF THE INTELLECTUAL SYSTEM OF ALUMINA AUTOMATED FEED IN A WEAK TRANSVERSE MAGNETIC FIELD OF THE ELECTROLYSIS WORKSHOP PRODUCING ALUMINUM A.M. Zaharov
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The author considers the conditions of increase of magnetoresistance of a copper conductor of a control system in a weak transverse magnetic field. A qualitative side of the initiation of the magnetoresistance is estimated by the comparison of the length of the electron free path in the electric field with the characteristic measurement of the electron trajectory under mutual influence of electric and magnetic fields. 3 sources. 2 figures.
Key words: magnetic resistance, magnetoresistance, a magnetoresistance effect, change of resistance of materials in a magnetic field, the intellectual system of automated alumina feed, the system of alumina automated feed, the sensor of the punch cylinder touch.
Введение. В данной работе рассмотрены условия увеличения магнетосопротивления медного проводника в слабых поперечных магнитных полях. Качественная сторона возникновения магнетосопротивления оценивалась сравнением длины свободного пробега электрона в электрическом поле с характерным размером траектории электрона при совместном действии электрического и магнитного полей. Магниторезистивный эффект (магнетосопротивление) - изменение сопротивления материалов в магнитном поле впервые обнаружен для металлов Вильямом Томсоном в 1856 г. Дальнейшие исследования проводились на основе классических и квантовых представлений [1].
Данный эффект проявляется в различных диапазонах температур и магнитных полей. В частности, шины питания электролизных ванн в промышленных установках производства алюминия при токах порядка 400 кА создают значительные магнитные поля, которые порождают магнетосопротивление в медном проводнике контрольного провода датчика касания опытного образца интеллектуальной системы АПГ (автоматизированной подачи глинозема) Саяногорского алюминиевого завода, что ведет к снижению точности измерений положения цилиндра-пробойника и уровня электролита в электролизной ванне.
Магнетосопротивление для характерных направ-
лений магнитного поля определяется как относительное изменение удельного сопротивления проводника:
4Р|| - Р
Dp = Р и DP_
(1)
Р Р Р Р
где р± и р ц - удельные сопротивления соответственно для поперечного и параллельного направлений магнитного поля относительно оси проводника; р -
удельное сопротивление в отсутствии магнитного поля.
1. Движение электрона в стационарном электрическом поле. Уравнение движения электрона между предыдущими и последующими столкновениями
^ * 77
т— = е* Е , где т и е - соответственно масса и
йг
заряд электрона, Е - напряженность магнитного поля, V - мгновенная скорость в направлении оси проводника. Откуда
е* Е
V =-г + у(0). (2)
т
Так как после столкновения электрона все направления его скорости равновероятны и v(0)=0, а среднее время между двумя последовательными столкновениями равно среднему времени пробегам ,
1Захаров Андрей Михайлович, аспирант, тел.: 8914899563, e-mail: asach@mail.ru. Zaharov Andrey Mihailovich, a postgraduate, tel.: 8914899563, e-mail: asach@mail.ru
- e*E l -запишем v =-г [2]. Согласно [3] т = =-, где /
m Vт
- средняя длина свободного пробега электрона, Vт -
— 3кТ
средняя скорость теплового движения, vт =-.
т
Полагая, что средняя скорость V и приблизительно равны и с учетом напряженности электриче-
Е и
ского поля Е = —, где и - напряжение, приложенное к проводнику, I - длина проводника, получим
еШ I 1
V =-,-, (3)
/ V ткТ
где величина / пока неизвестна. Для нахождения /
определим V, а затем, сравнивая два выражения для
V, найдем /. Опуская промежуточные вычисления, получим
V = иМ , (4)
2рШАрм
где и - напряжение электрического поля; М - молекулярная масса меди; ЫА - число Авогадро; рм - плотность меди.
еи/ ГТ им
Сравним (3) и (4):
или
el
1
M
l V 3kT 2 pleNApM Откуда получим
l =
ткТ 2ре^лрм Мл[шкТ = 2РМАРме 1
= 63,54 -10"^9,11-10"31 -1,38-10"23 • 293 = (5)
" 2-1,7-10"8 -6,02-1023 -8,93-103 -1,62 -10"38 "
= 8,24-10 "10 м.
2. Движение электрона в скрещенных стационарных электрическом и магнитном полях. Уравнение движения электронов в векторном виде
= еЕ + е[У~Б ], где V - вектор скорости элек-
сИ
трона; Е - вектор напряженности электрического поля; В - вектор индукции магнитного поля.
Рассмотрим рис. 1 и определим длину дуги цик-
лоиды: /ц = 2пр =
2nmE
где E =
и l '
0 Ц/и^, п Т
В = —0-!-. Здесь 7, - ток в шине питания электро-2пС
лизной ванны, б - расстояние от шины до провода датчика. Подставив значения используемых величин, получим
I =
8n3mud2 _ ely2 ^ J2
= 8 • 3,14 • 9,11-10-31 • 4,5 • 0,52 = 1,6•Ю-19 • 4• 1 • 42 • 3,142 •Ю-14 • 42 • 1010 = 15 •Ю-10 м.
с *г
Рис. 1. Траектория движения электрона внутри проводника: F3 = const - модуль силы электрического
поля; Fn = var - модуль силы Лоренца; v = var -
модуль скорости
Длина свободного пробега электрона
l = 8,24 * 10~10 приблизительно соответствует половине дуги «ОАС» циклоиды. Проекция на ось y вектора OA перемещения электрона 2l
—_Ч _ с * If)-10
/а = 2р = = 5*10-10 м.
2п
Ар1 _ l - /а _ 8,24 * 10-10 - 5 * 10-10
Р
l
8,24*10
* т-10
= 0,39
По классификации [1] поле в данном случае соответствует области слабых магнитных полей, для кото-
рых возрастание
Р
медного проводника незначи-
тельно.
3. Движение электрона в сонаправленных электрическом и магнитном полях
Рис. 2. Траектория движения электрона
а) Электрон с направлением начальной скорости Vнaч ^ 0 , совпадающим с В (Аа = 0 ), движется с
ускорением под действием поля Е, как это было рассмотрено в п. 2.
б) В случае Аа ^ 0 электрон участвует в двух движениях: равноускоренном перемещении со скоростью VI и равномерном движении по окружности со
скоростью V1. Без учета столкновений электрон будет двигаться по винтовой линии с переменным шагом Л, а с учетом столкновений - по ограниченному участку винтовой линии.
в) В случае Унач Ф 0 , V± = 0 и движение будет аналогично случаю (а).
Таким образом, для J1 ± B изменение
дет максимальным, а для J1
B изменение
Dp±
Р
Dp
бу-
Р
будет минимальным.
Заключение. Следует отметить, что разработки в теории магнетосопротивления еще не доведены до инженерных расчетов, а опубликованные измеренные значения магнетосопротивления часто даются для одного значения магнитного поля.
Наиболее объективный и простой способ оценки магнетосопротивления заключается в измерении тока
в цепи датчика при наличии магнитного поля и его отсутствии в течение нескольких секунд, когда тепловой режим электролизной ванны еще не изменился. Прибор для измерения тока должен находиться вне магнитного поля, поскольку магнетосопротивление резко возрастает в полупроводниковых приборах, что приводит к снижению точности измерений.
Библиографический список
1. Вонсовский С.В. Магнетизм / С.В. Вонсовский - М.: Наука, 1971. - 1032 с.
2. Раиф Ф. Статистическая физика / Ф.Раиф; перевод с англ. - М.: Наука, 1977. - 252 с.
3. Калашников С.Г. Электричество / С.Г. Калашников. - М.: Наука, 1970. - 668 с.
УДК 681.3:371.69
КОНЦЕПЦИИ СВЯЗИ И ОБМЕНА ДАННЫМИ В КОМПЬЮТЕРНЫХ ТРЕНАЖЕРНЫХ СИСТЕМАХ
А.Г.Колмогоров1
Ангарская государственная техническая академия, 665835, Иркутская обл. г. Ангарск, ул. Чайковского, 60.
Рассмотрен вариант реализации системы обмена данными в компьютерных тренажерных системах, основанный на транспортном протоколе UDP. Библиогр. 1 назв. Ил.3.
Ключевые слова: компьютерный тренажер, математическая модель, обмен данными, протокол обмена, UDP.
CONCEPTIONS OF CONNECTIONS AND DATA EXCHANGE IN COMPUTER SIMULATION SYSTEMS A.G.Kolmogorov
Angarsk State Technical Academy 60 Chaikovsky St., Angarsk, Irkutsk region, 665835
The author examines the variant of data exchange system realization in computer simulation systems based on the transport protocol UDP. 1 source. 3 figures.
Key words: a computer simulator, a mathematical model, data exchange, an exchange protocol, UDP.
Компьютерный тренинг для подготовки технологического персонала давно зарекомендовал себя как эффективное средство совершенствования практических навыков, следствиями чего являются снижение аварийности и улучшение экономических показателей во многих отраслях промышленности. Использование компьютерных тренажеров для обучения персонала потенциально опасным технологическим операциям закреплено нормативными документами многих стран, в том числе и России.
Как свидетельствует обзор аналитических статей, применение компьютерных тренажеров для тренинга позволяет не только решать задачи обучения правилам эксплуатации оборудования и аппаратов, но и поддерживать эти знания в адекватном требованиям производства состоянии.
В соответствии с основными и популярными концепциями построения [1] структура тренажеров состоит из трех элементов:
1) математической модели технологического про-
цесса;
2) интерфейса, моделирующего рабочее место оператора (РМО);
3) системы управления тренажером - рабочего места инструктора (РМИ).
Между перечисленными узлами организован информационный обмен посредством систем связи в соответствии со структурой, изображенной на рис.1.
Математическая модель, используемая в тренажере, представляет собой систему дифферециально-интегральных уравнений, описывающих динамику моделируемого объекта, и базируется на материальных и энергетических балансах. В зависимости от типа объекта, с которым ведется тренинг, количество расчетных переменных может достигать нескольких тысяч, причем их пересчет должен происходить в режиме реального времени, а при необходимости и в ускоренном временном режиме.
Интерфейс РМО представляет собой несколько экранных форм, позволяющих оперативно оценивать
1Колмогоров Алексей Геннадьевич, доцент, тел.: (3955) 67-89-15, e-mail: alexey-kol@narod.ru. Kolmogorov Alexei Gennadjevich, an associate professor, tel.: (3955) 67-89-15, e-mail: alexey-kol@narod.ru
