Магнитно-реологический способ определения магнитной восприимчивости частицы Российский патент 2024 года по МПК G01R33/16 G01N15/10 

Изобретение, направленное на получение информации о магнитной восприимчивости одиночных частиц (тел малых размеров), относится к области магнитных измерений. Такая информация востребована преимущественно для принятия решений (принципиальных) о режимах работы и конструкциях средств магнитного воздействия и разделения (сепарация, магнитофорез), например, при обогащении руд, очистке от магнитоактивных частиц-загрязнений производственных сред, медицинском обследовании и лечении и пр.

Известен пондеромоторный способ определения магнитной восприимчивости тел сравнительно малых размеров [1-7] - по данным измерений магнитной (пондеромоторной) силы F_m, действующей на изучаемое тело объемом V, размещенное в неоднородном магнитном поле. Это поле создается, в частности, между полюсными наконечниками той или иной формы [1-7], предпочтительно сферической [5-7], поскольку в этом случае обеспечивается как получение, так и относительно несложная идентификация необходимой здесь рабочей зоны - с практически стабильной неоднородностью поля (для размещения в ней изучаемого тела). Используя измеренные и/или вычисленные в том или ином месте размещения изучаемого тела (сравнительно малых размеров) значения таких параметров как напряженность поля H или его индукция B, а также неоднородность gradH или gradB, магнитную восприимчивость χ такого тела определяют, используя известные эквивалентные выражения для магнитной силы: F_m = μ₀χVHgradH или F_m = χVBgradB/μ₀, где μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м - магнитная константа. При этом, чтобы иметь развернутые (вдоль определенного участка линии действия магнитной силы) сведения об указанных параметрах, прибегают к получению их координатных зависимостей, чаще всего, начиная с координатной зависимости параметра B [6, 7] - посредством соответствующего пошагового перемещения датчика Холла тесламетра (дополнительно может быть получена простым расчетом также и координатная зависимость параметра H, учитывая известную связь H = B/μ₀). Далее путем дифференцирования координатной зависимости параметра B или H получают координатную зависимость параметра gradB или gradH.

Однако в тех случаях, когда подлежащее изучению тело настолько мало (является мелкой частицей), что измерение действующей на него магнитной силы F_m становится проблематичным, пондеромоторный способ в таких случаях вряд ли применим.

Известен магнитно-реологической способ определения магнитной восприимчивости χ тела малых размеров (частицы) посредством его магнитоуправляемого перемещения в столбе жидкости вертикально вниз [8, 9] под действием сил тяжести (гравитационной) F_g, Архимеда F_A, Стокса F_S, а также магнитной силы F_m. Последняя проявляется благодаря создаваемому электромагнитной системой неоднородному магнитному полю между полюсными наконечниками сферической формы, располагаемыми по обе стороны столба жидкости. Необходимые сведения о создаваемом поле, в том числе при той или иной токовой нагрузке электромагнитной системы, иллюстрируются специально получаемыми координатными (согласно координатам перемещения частицы - вдоль действия магнитной силы) характеристиками таких магнитных параметров поля как напряженность H и/или индукция B, градиент gradH и/или gradB. При осуществлении каждого из опытов по реализации способа определяют время ограниченного фиксируемого (в пределах зоны практически стабильной неоднородности поля, расположенной выше межцентровой линии полюсных наконечников) перемещения изучаемой частицы. Искомую магнитную восприимчивость χ частицы определяют исходя из условия баланса указанных сил.

Недостатком этого способа является следующее. Из-за осуществления вертикального перемещения изучаемой частицы в столбе жидкости вниз (в пределах рабочей зоны, расположенной выше межцентровой линии полюсных наконечников) в необходимом для определения магнитной восприимчивости χ изучаемой частицы условии баланса сил такие значимые силы как гравитационная и магнитная совпадают по направлению. В связи с этим изучаемая частица перемещается сравнительно быстро, время такого перемещения частицы весьма короткое, что вызывает трудности в его регистрации и негативно сказывается на точности измерений этого времени и в конечном счете - на точности определения значений χ.

Известен магнитно-реологический способ определения магнитной восприимчивости χ частицы (тела малых размеров), предусматривающий проведение опыта по ее магнитоуправляемому вертикальному перемещению вверх в столбе жидкости [10]. На частицу действуют силы: тяжести (гравитационная) F_g, Архимеда F_A, Стокса F_S, а также магнитная сила F_m, создаваемая неоднородным магнитным полем (как в предыдущем аналоге - с получаемыми координатными, согласно координатам перемещения частицы, характеристиками таких магнитных параметров поля как напряженность H и/или индукция B, градиент gradH и/или gradB). Применяемые для получения этого поля полюсные наконечники (сферической формы) электромагнитной системы, которая обеспечивает возможность изменения магнитных параметров ее токовой нагрузкой для проведения каждого из последующих опытов, располагают по обе стороны столба жидкости. Из имеющихся между полюсными наконечниками по вертикали двух симметричных зон магнитного воздействия на частицу, находящихся соответственно выше и ниже осевой линии наконечников, в качестве рабочей используют нижнюю зону. В ней сила тяжести, направленная вниз, и магнитная сила, направленная вверх, являясь взаимно конкурентными, противодействуют друг другу, обусловливая возможность замедленного перемещения изучаемой частицы вверх. При реализации способа (используя зону магнитного воздействия, находящуюся ниже осевой линии между полюсными наконечниками) магнитную восприимчивость χ изучаемой частицы определяют исходя из уравнения действующих на нее сил.

Недостатком этого способа является следующее. Согласно [10] для его реализации необходимо располагать данными (получаемыми опытным путем) значительного количества параметров. В их числе, кроме времени фиксированного перемещения частицы в жидкости (вверх, в пределах зоны стабильной неоднородности поля), также вязкость жидкости, эквивалентный диаметр частицы, коэффициент учета отличия формы изучаемой частицы от модельной сферической (или обратной ему величины - отношения скоростей перемещения в жидкости изучаемой частицы и эквивалентной ей по диаметру частицы шарообразной формы). Это усложняет реализацию способа и снижает оперативность получения искомых значений магнитной восприимчивости частицы, подлежащей изучению.

Задачей изобретения является сокращение количества используемых параметров (за счет упомянутых выше), необходимых для определения магнитной восприимчивости χ изучаемой частицы упрощение и повышение оперативности получения значений χ.

Ожидаемый технический результат достигается в магнитно-реологическом способе определения магнитной восприимчивости χ частицы, предусматривающем проведение опыта по ее магнитоуправляемому вертикальному перемещению вверх в столбе жидкости. Это перемещение осуществляется при действии на изучаемую частицу сил тяжести (гравитационной) F_g, Архимеда F_A, Стокса F_S, а также магнитной силы F_m, создаваемой неоднородным магнитным полем с координатными, согласно координатам перемещения частицы, характеристиками таких магнитных параметров поля как напряженность H и/или индукция B, градиент gradH и/или gradB. Применяемые для получения этого поля полюсные наконечники электромагнитной системы, обеспечивающей возможность изменения магнитных параметров ее токовой нагрузкой для проведения последующего опыта, из которых предпочтительно использовать наконечники сферической формы, располагают по обе стороны столба жидкости. Учитывая, что между полюсными наконечниками имеются по вертикали две симметричные зоны магнитного воздействия на частицу, находящиеся соответственно выше и ниже осевой линии наконечников, в качестве рабочей используют именно нижнюю зону. В этой зоне сила тяжести, направленная вниз, и магнитная сила, направленная вверх, являясь взаимно конкурентными, противодействуют друг другу, обусловливая возможность замедленного перемещения изучаемой частицы вверх, а магнитную восприимчивость χ частицы определяют исходя из уравнения действующих на нее сил. Согласно способу, при магнитном управлении перемещением изучаемой частицы вверх осуществляют варьирование токовой нагрузки электромагнитной системы непосредственно при проведении опыта, вызывая торможение в перемещении частицы вплоть до ее зависания (при этом скорость перемещения частицы станет υ = 0). Тем самым исключается сила Стокса (F_S = 0) в составляемом уравнении действующих на частицу сил. Из устанавливаемых координатных характеристик параметров H и/или B используют значения этих параметров в точке зависания частицы. Кроме того, используют из координатных характеристик параметров gradH и/или gradB (получаемых на основе упомянутых характеристик H и/или B) значения этих параметров в той же точке. Искомую магнитную восприимчивость χ изучаемой частицы определяют исходя из суженного (без силы F_S) уравнения действующих на нее сил по любому из двух выражений:

$$\chi =\frac{g(\rho -{\rho }_{\eta })}{{\mu }_0\cdot HgradH}$$ или $$\chi =\frac{g(\rho -{\rho }_{\eta })}{ВgradВ}{\mu }_0$$,

в зависимости от того, какой из параметров для получения координатных характеристик магнитного поля между полюсными наконечниками выбран оператором, а именно напряженность H или индукция B = μ₀H, где g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²), μ₀ - магнитная константа (4π·10^-7Гн/м), ρ и ρ_η - плотность изучаемой частицы и жидкости.

Входящий в одно из указанных расчетных выражений для χ магнитный параметр, а именно индукцию B поля в точке зависания изучаемой частицы, находят из предварительно устанавливаемой координатной характеристики параметра B - посредством пошаговых измерений тесламетром с датчиком Холла, в частности, закрепленном на координатном столике. При этом доступными простым расчетом становятся координатная характеристика напряженности поля H = B/μ₀ и ее значение в оговоренной точке.

Входящие в указанные расчетные выражения для χ такие магнитные параметры как gradB и/или gradH в точке зависания частицы находят из координатной характеристики параметра gradB и/или gradH, получаемой после аппроксимации координатной характеристики параметра B и/или H, например, с помощью программы Excel полиномом не менее четвертой степени, и последующего дифференцирования этой характеристики (являющейся зависимостью параметра B и/или H от координаты реального и потенциального магнитоуправляемого перемещения изучаемой частицы).

Реализация предлагаемого магнитно-реологического способа определения магнитной восприимчивости χ частицы излагается на примере приведенной на фиг.1 схемы варианта исполнительного органа этого способа - с электромагнитной системой, магнитопровод которой имеет полюсные наконечники 1 сферической формы; между ними располагается столб жидкости 2 с находящейся в ней изучаемой частицей 3. В начальной стадии опыта, т.е. при перемещении этой частицы (объемом V и плотностью ρ) по вертикали, на нее действуют четыре силы: сила тяжести (гравитационная) F_g, сила Архимеда F_A, сила Стокса F_S и магнитная сила F_m. Посредством варьирования токовой нагрузки обмотки электромагнитной системы оператор должен при осуществлении этого опыта добиться торможения в перемещении частицы вплоть до ее зависания, т.е. когда скорость υ ее перемещения станет υ = 0 и, следовательно, сила Стокса исчезает: F_S = 0. Тогда из условия баланса сил, действующих на частицу при ее зависании, а именно F_g = Vρg (g - ускорение свободного падения), F_A = Vρ_ηg (ρ_η - плотность жидкости), F_m = μ₀χVHgradH = χVBgradB/μ₀ (μ₀ = 4π⋅10^-7 Гн/м - магнитная константа) последуют указанные ранее выражения для определения магнитной восприимчивости χ изучаемой частицы. Требуемые же здесь магнитные параметры неоднородного (между полюсными наконечниками) магнитного поля в месте зависания частицы, а именно значения напряженности H поля и/или его индукции B, а также значения gradH и/или gradB устанавливают следующим образом. Так, измерениями получают координатные зависимости H и/или B, а дифференцированием находят координатные зависимости gradH и/или gradB.

Изобретательский уровень предложенного способа подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

[1]. Казин П.Е., Кульбакин И.В. Методы исследования магнитных свойств материалов / М.: МГУ. 2011. 34 с.

[2]. Кармазин В.В., Кармазин В.И. Магнитные и электрические методы обогащения / М.: Недра. 1988. 304 с.

[3]. Деркач В.И. Специальные методы обогащения полезных ископаемых / Учебное пособие. М.: Недра. 1966. 338 с.

[4]. Чечерников В.И. Магнитные измерения / Учебное пособие. М.: МГУ, 1963. 286 с.

[5]. Патент RU 2680863. Электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости вещества (Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Киселев Д.О., Полисмакова М.Н., Сандуляк Д.А., Ткаченко Р.Ю., Матвеев В.В., Титов А.А.). 2019.

[6]. Сандуляк А.А., Киселев Д.О., Сандуляк А.В., Полисмакова М.Н., Сандуляк Д.А. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы. 2017. №10. С. 4-7.

[7]. Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк Д.А., Сандуляк А.В., Ершова В.А. Диагностика рабочей зоны стабильности градиента в магнетометре контроля восприимчивости частиц (для задач магнитной сепарации) / Стекло и керамика. 2021. №3. С. 19-27.

[8]. Патент RU 2753159. Способ магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы (Сандуляк А.А., Сандуляк А.В., Ершова В.А., Сандуляк Д.А.). 2021.

[9]. Сандуляк А.А., Сандуляк Д.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.В., Ершова В.А., Киселев Д.О. Создание и реализация метода магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости одиночной частицы / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2023. № 5. С.16-22.

[10]. Патент RU 2805765. Способ магнитно-реологической диагностики магнитной восприимчивости частицы при ее магнитоуправляемом перемещении в жидкости (Сандуляк А.А., Сандуляк Д.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.В., Харин А.С., Соловьев И.А.).

Изобретение относится к области магнитных измерений. Сущность: способ предусматривает проведение опыта по магнитоуправляемому вертикальному перемещению частицы вверх в столбе жидкости при действии на нее сил, в том числе магнитной силы, создаваемой неоднородным магнитным полем. Применяемые для получения неоднородного магнитного поля полюсные наконечники электромагнитной системы выполняют сферической формы и располагают по обе стороны столба жидкости. Изменение магнитных параметров электромагнитной системы обеспечивается ее токовой нагрузкой. Между наконечниками имеются по вертикали две симметричные зоны магнитного воздействия на частицу, находящиеся соответственно выше и ниже осевой линии наконечников. В качестве рабочей используют нижнюю зону. В этой зоне сила тяжести, направленная вниз, и магнитная сила, направленная вверх, противодействуют друг другу, обусловливая возможность замедленного перемещения изучаемой частицы вверх. При магнитном управлении перемещением изучаемой частицы вверх осуществляют варьирование токовой нагрузки электромагнитной системы, вызывая торможение в перемещении частицы вплоть до ее зависания. Тем самым исключается сила Стокса. Устанавливают координатные характеристики параметров H и/или B и параметров gradH и/или gradB. Используют значения этих параметров в точке зависания частицы для определения магнитной восприимчивости χ частицы по выражению, получаемому, исходя из уравнения действующих на частицу сил. Технический результат: сокращение количества используемых параметров, необходимых для определения магнитной восприимчивости χ частицы, упрощение и повышение оперативности получения значений. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Магнитно-реологический способ определения магнитной восприимчивости частицы, предусматривающий проведение опыта по ее магнитоуправляемому вертикальному перемещению вверх в столбе жидкости при действии на частицу сил тяжести, Архимеда, Стокса и магнитной силы, создаваемой неоднородным магнитным полем с координатными, согласно координатам перемещения частицы, характеристиками таких магнитных параметров поля как напряженность H и/или индукция B, градиент gradH и/или gradB, причем применяемые для получения этого поля полюсные наконечники электромагнитной системы, обеспечивающей возможность изменения магнитных параметров ее токовой нагрузкой для проведения последующего опыта наконечниками сферической формы, располагают по обе стороны столба жидкости, когда между применяемыми наконечниками имеются по вертикали две симметричные зоны магнитного воздействия на частицу, находящиеся соответственно выше и ниже осевой линии наконечников, и в качестве рабочей используют нижнюю зону, в которой сила тяжести, направленная вниз, и магнитная сила, направленная вверх, являясь взаимно конкурентными, противодействуют друг другу, обусловливая возможность замедленного перемещения изучаемой частицы вверх, а магнитную восприимчивость χ частицы определяют исходя из уравнения действующих на нее сил, отличающийся тем, что при магнитном управлении перемещением изучаемой частицы вверх осуществляют варьирование токовой нагрузки электромагнитной системы непосредственно при проведении опыта, вызывая торможение в перемещении частицы вплоть до ее зависания, тем самым исключая силу Стокса в составляемом уравнении действующих на нее сил, при этом, используя из устанавливаемых координатных характеристик параметров H и/или B значения этих параметров в точке зависания частицы и, кроме того, используя из получаемых на основе упомянутых характеристик также координатных характеристик параметров gradH и/или gradB значения этих параметров в той же точке, магнитную восприимчивость χ изучаемой частицы определяют исходя из суженного уравнения действующих на нее сил по любому из двух выражений:

$$\chi =\frac{g(\rho -{\rho }_{\eta })}{{\mu }_0\cdot HgradH}$$ или $$\chi =\frac{g(\rho -{\rho }_{\eta })}{ВgradВ}{\mu }_0$$,

в зависимости от того, какой из параметров для получения координатных характеристик магнитного поля между полюсными наконечниками выбран оператором, а именно напряженность H или индукция B = μ₀H, где g – ускорение свободного падения, μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м – магнитная константа, ρ и ρ_η – плотность изучаемой частицы и жидкости.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение параметра индукции B поля в точке зависания изучаемой частицы определяют из предварительно устанавливаемой координатной характеристики параметра B посредством его пошаговых измерений тесламетром с датчиком Холла, в частности, закрепленном на координатном столике, при этом доступными простым расчетом становятся координатная характеристика напряженности поля H = B/μ₀ и ее значение в оговоренной точке.

3. Способ по пп.1, 2, отличающийся тем, что значение параметра gradB и/или gradH в точке зависания частицы определяют из координатной характеристики параметра gradB и/или gradH, получаемой после аппроксимации координатной характеристики параметра B и/или H, например, с помощью программы Excel полиномом не менее четвертой степени, и последующего дифференцирования этой характеристики, являющейся зависимостью параметра B и/или H от координаты магнитоуправляемого перемещения изучаемой частицы.