Способ идентификации в многослойном удлиненном соленоиде исполнительной зоны Российский патент 2024 года по МПК G01R33/12 

Способ относится к области магнитных измерений и может быть использован в тех многочисленных исследованиях, которые необходимо выполнять в условиях воздействия магнитного поля, создаваемого многослойным соленоидом, обязательно обеспечивая наличие в нем зоны однородности поля, например, в исследованиях по контролю магнитных свойств материалов и их образцов.

Что касается реализации возможности контроля магнитных свойств материалов, то известен способ, где для создания магнитного поля используется электромагнитная катушка замкнутой, а именно тороидальной, формы (внутри которой размещается изучаемый намагничиваемый образец такой же формы) [1]. Благодаря именно замкнутости формы создаваемое такой катушкой (как правило, многослойной) поле является однородным – во всей полости катушки.

Но такое техническое решение, связанное с применением катушки указанной формы, усложняет постановку и выполнение экспериментальных исследований, а также имеет ограничения для использования. Так, применение этого источника поля не позволяет оперативно, без дополнительных действий, осуществлять размещение того или иного изучаемого образца в полости соленоида и его изъятие из этой полости. К тому же, в этом случае изучаемый образец должен иметь форму полости катушки (как это обычно имеет место на практике), либо быть малообъемным. Для образца другого исполнения (например, когда намагничиванию надо подвергать продолговатый стержневой образец) возможность строгого продольного его намагничивания (необходимого для получения целевых результатов исследования) в катушке тороидальной формы, где магнитные силовые линии искривлены, не обеспечивается.

Известны многочисленные технические решения способа контроля магнитных свойств образцов, когда для создания намагничивающего (образец) поля применяется катушка (многослойная, для усиления намагничивающей силы) цилиндрической формы – соленоид [в частности: 2-5]. Это позволяет беспрепятственно и оперативно осуществлять как размещение того или иного изучаемого образца в полости соленоида, так и его изъятие из этой полости.

Вместе с тем, при применении этого источника поля, т.е. многослойного соленоида, для целей исследований, требующих обеспечения однородности поля, не всегда учитывается следующее известное обстоятельство. В отличие от срединной части соленоида, где по значениям напряженности H поле может оставаться практически однородным, по мере приближения к его торцам значения напряженности поля H существенно снижаются (подобно тому, как это происходит в показательном, с теоретически описанными особенностями, однослойном соленоиде). Это обязывает, проводя исследования с применением соленоида, считать его исполнительной зоной, т.е. зоной (рабочей), где должен находиться изучаемый объект, срединную часть соленоида. Отсюда – очевидное требование, согласно которому соленоид в подобного рода исследованиях должен быть достаточно длинным, причем настолько, чтобы обеспечивать не только само наличие этой, исполнительной, зоны, а и ее необходимую протяженность (не меньшую чем собственный размер изучаемого образца). Или, если трактовать оговоренное требование исходя из уже имеющегося размера образца, подлежащего исследованию, то это обязывает применять соленоид такой длины, чтобы его концевые (приторцевые) участки, где поле по H ослаблено, находились при выполнении исследований за пределами изучаемого образца. К сожалению, на практике такое, обязательное для исполнения, требование (иначе возникает погрешность в результатах контроля магнитных свойств изучаемого образца, так как часть образца подвергается воздействию заниженного по H поля) почти не соблюдается. Во всяком случае, в аналогах [2-5] это требование даже не упоминается, как и не оговаривается подход к идентификации исполнительной зоны (имея в виду, разумеется, ее протяженность в срединной части соленоида).

Из материалов публикаций [6-8] известно, что для контроля магнитных свойств материалов эксперименты выполняют с применением многослойного соленоида, в срединную часть которого, т.е. в зону практически однородного, постоянного по напряженности, поля помещался тот или иной образец изучаемого материала. Эту зону (исполнительную) идентифицировали способом, согласно которому пошагово, вдоль оси, измеряли напряженность поля H = H_N, получая координатную характеристику H_N (индекс «N» при H означает, что речь идет о многослойном соленоиде). Это позволяло обнаруживать заметное снижение H_N – на концевых участках соленоида, а значит, идентифицировать протяженность таких участков и, как следствие, идентифицировать протяженность срединной (исполнительной) зоны соленоида. Эта протяженность, разумеется, меньше чем его геометрическая длина L на величину, равную общей длине обоих концевых участков соленоида, в пределах которых значения H = H_N ослаблены по сравнению с таковыми в его срединной части. Тем самым исключалось даже частичное присутствие исследуемого (в том числе достаточно длинного [6-8]) образца, подвергаемого намагничиванию, в концевых участках соленоида.

Одним из недостатков этого способа (прототипа) идентификации исполнительной зоны, а именно зоны практически однородного, постоянного по напряженности поля (в частности, для выполнения экспериментов по изучению магнитных свойств образцов материалов) является то, что описанное техническое решение, к сожалению, получено лишь применительно к частному по длине (L 1м – при внутреннем диаметре D = 50мм) соленоиду. В отсутствие сведений для иных по длине соленоидов оно, следовательно, не содержит необходимой информации для возможности соответствующих обобщений с тем чтобы судить о том, соленоид какой длины L следует считать достаточно длинным (из условия самого факта наличия в нем исполнительной зоны) и, главное, идентифицировать в том или ином соленоиде исполнительную зону, а именно ее протяженность. К тому же, выполнение пошаговых измерений (многочисленных) H в соленоиде является затратным по времени и требует применения соответствующих приспособлений. Кроме того, визуальный анализ получаемой координатной характеристики H может оказаться субъективным, недостаточно достоверным.

Поскольку указанные недостатки обусловлены, в основном, ограниченным объемом экспериментально-расчетных данных, а при их пополнении – отсутствием подхода к обобщению, задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы восполнить эти пробелы. Так, выполнение требуемого (для получения развернутой информации) объема исследований и обоснование подхода к обобщению их результатов позволит не только установить, при какой длине L соленоида (предпочтительно – его относительной длине L/D) он становится достаточно длинным (по факту наличия в нем исполнительной зоны), а и оперативно осуществлять идентификацию в том или ином соленоиде исполнительной зоны необходимой протяженности. При этом измерение напряженности поля H в том или ином соленоиде упростится до разового (в его центре), что должно стать достаточным для экспериментально-расчетного получения и последующего анализа координатной характеристики напряженности поля – с допускаемыми ограничениями по изменению значений этой напряженности.

Ожидаемый технический результат достигается реализацией способа идентификации в многослойном удлиненном соленоиде исполнительной зоны, а именно зоны практически однородного, постоянного по напряженности H = H_N, поля – для выполнения экспериментов, в том числе направленных на изучение магнитных свойств того или иного образца, который необходимо помещать в срединную часть соленоида. При этом длина [L] исполнительной зоны соленоида меньше его геометрической длины L на величину, равную общей длине концевых участков соленоида, в пределах которых значения H = H_N ослаблены по сравнению со значениями H = H_N в его срединной части. Согласно изобретению, для оперативного определения длины [L] исполнительной зоны многослойного удлиненного соленоида длиной L и диаметром D выполняют измерение напряженности поля на расстоянии x = L/2 от его торца, т.е. в центре соленоида, где это значение максимальное, т.е. H_N → (H_N)_max. Затем, используя известное фундаментальное выражение для напряженности поля H = H_n вдоль оси однослойного соленоида:

, (1)

где I – величина тока питания соленоида, n = ω/L – число витков ω провода, приходящихся на единицу длины соленоида, определяют по этому выражению значение напряженности поля в центре соленоида, где это значение максимальное, т.е. H_n → (H_n)_max, и находят величину коэффициента адаптации k = (H_N)_max/(H_n)_max (индекс «N» при H означает, что речь идет о многослойном соленоиде). Далее путем умножения на k выражения (1) получают выражение для напряженности поля H = H_N в многослойном соленоиде:

.(2)

Относительную длину L/D используемого удлиненного соленоида устанавливают из условия ограничения в центре соленоида снижения напряженности поля по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения ε₁. Относительную длину исполнительной зоны удлиненного соленоида [L]/D устанавливают из условия ограничения снижения напряженности поля на удалении от центра соленоида по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения ε₂.

Например, для многослойного соленоида внутренним диаметром D = 50мм и толщиной намотки 37мм, длиной от L = 0,25 до L = 1,0 м, т.е. его относительной длиной от L/D = 5 до L/D = 20, коэффициент адаптации k составляет практически постоянную величину k = 1,05…1,1 1,08.

Из условия ограничения снижения напряженности поля в центре соленоида, в частности, не более чем на ε₁ = 1…2% по сравнению с ее потенциальной величиной (а именно в бесконечно длинном соленоиде), относительная длина соленоида L/D, при которой такой соленоид квалифицируется как достаточно удлиненный, с присутствующей в нем исполнительной зоной, должна быть L/D ≥ 5…7.

Относительную длину [L]/L исполнительной зоны удлиненного соленоида определяют по такой, установленной исследованиями, связи с L/D:

(3)

при значении фигурирующего в (3) параметра q, который зависит от выбора допускаемого снижения ε₂ напряженности поля на удалении от центра соленоида по сравнению с ее потенциальной величиной. Например, для соленоида относительной длиной от L/D = 5 до L/D = 20 относительная длина исполнительной зоны удлиненного соленоида составляет от [L]/L = 0,58 до [L]/L = 0,89 при допускаемом значении ε₂ = 5% и соответствующему ему значении параметра q = 1,06. Как вариант, относительная длина исполнительной зоны составляет от [L]/L = 0,42 до [L]/L = 0,86 при более жестком допускаемом значении: ε₂ = 3% и соответствующему ему значении q = 1,44.

Для пояснения реализации способа на фиг.1 и фиг.2 изображены графические зависимости, полученные по результатам исследований многослойных соленоидов разной длины. Исследования выполнены с четырьмя многослойными соленоидами – одинаковыми по удельной намагничивающей силе In = 14,7 кА/м (I – величина тока питания соленоида, n – удельное число витков провода, т.е. число витков, отнесенное к длине соленоида), внутреннему диаметру D = 50мм и толщине намотки (37мм). Длина соленоидов L составляла 1,0 м; 0,75 м; 0,5 м и 0,25 м.

На фиг.1 (точки 1) показаны экспериментальные данные координатных (вдоль направления x по оси соленоида, начиная с торца) характеристик напряженности поля H = H_N в используемых многослойных соленоидах разной длины L (индекс «N» при H означает, что речь идет о многослойном соленоиде). Здесь же (фиг.1, сплошные линии 2) иллюстрируются полученные по фундаментальной аналитической зависимости (см. например, Гершензон Е.М., Малов Н.Н. Курс общей физики. Электричество и магнетизм. М. «Просвещение». 1980. С.89; Парселл Э. Электричество и магнетизм. Берклеевский курс физики. Т.2. Изд. 3-е. М. «Наука». Гл. ред. физ.-мат. лит-ры. 1983. С. 200):

(1)

координатные характеристики напряженности поля H = H_n в условно эквивалентных по L, D и In однослойных соленоидах (индекс «n» при H означает, что речь идет об однослойном соленоиде).

Даже по внешнему виду того или иного тренда (фиг.1) экспериментальных данных H_N и сравниваемой с этим трендом аналитической зависимости H_n заметно их качественное согласие – при имеющемся некотором количественном расхождении. Между тем, это расхождение может быть минимизировано посредством использования коэффициента адаптации k, который можно определить, используя данные напряженности поля в центре соленоидов, получаемые экспериментально в многослойном, т.е. H_N → (H_N)_max и расчетом по выражению (1) в однослойном. т.е. H_n → (H_n)_max. Для соленоидов разной длины (от L = 1,0 м до L = 0,25 м) в изучаемом диапазоне намагничивающей силы In от 14,7 до 59 кА/м он составляет практически постоянную величину k = (H_N)_max/(H_n)_max = 1,05…1,1 1,08.

Следовательно, используя выражение (1), умноженное на k, можно получить выражение для координатной характеристики H_N применительно к многослойному соленоиду:

, (2)

его приемлемость подтверждается согласием этой, адаптированной к используемым многослойным соленоидам, характеристики (фиг.1, штриховые линии 1) с экспериментальными данными (фиг.1, точки 1).

Далее представляется возможным получить следующую важную информацию.

Во-первых, это касается информации о том, насколько напряженность поля H_N в центре (x = L/2) того или иного соленоида, т.е. H_N → (H_N)_max, занижена по сравнению с ее потенциальным значением, т.е. с напряженностью поля H_N,∞ в таком же, но условно бесконечно длинном, соленоиде. При этом по обнаруживаемому факту непосредственной взаимной близости значений (H_N)_max и H_N,∞ оценивается, соленоиды какой длины L (а в более общем виде – какой относительной длины L/D) можно в принципе считать достаточно «длинными», т.е. обладающими оговоренной (даже малой по протяженности) исполнительной зоной, разумеется, с соответствующими возможностями, близкими к потенциальным.

Так, если воспользоваться выражением (2), полученным в результате адаптации выражения (1) к используемым многослойным соленоидам, то легко найти напряженность поля в центре многослойного соленоида (H_N)_max, т.е. величину H_N при x = L/2, а при L/D → ∞ оценить напряженность поля в бесконечно длинном многослойном соленоиде H_N,∞ (здесь это H_N,∞ = kIn) и относительную величину напряженности поля в центре многослойного соленоида (той или иной относительной длины L/D): (H_N)_max/H_N,∞. Графически она иллюстрируется на фиг.2 в зависимости от L/D. Видно, что с повышением L/D, т.е. удлинением соленоида, рассматриваемая относительная величина напряженности поля (H_N)_max/H_N,∞ (явно заниженная для сравнительно малых L/D) при L/D ≥ 5 практически приближается к предельной, соответствуя условию минимального, допускаемого занижения (в частности, не более чем на ε₁ = 1…2%) напряженности поля в центре соленоида.

Во-вторых, становится доступной информация о протяженности исполнительной зоны соленоида. Для этого следует оценить, на каком расстоянии x = [x] от торца того или иного, достаточно удлиненного (т.е. при L/D ≥ 5…7), соленоида текущее значение напряженности поля H_N уже заметно, но в пределах допустимого, отличается (например, на величину порядка ε₂ = 5%) от его максимального значения (H_N)_max – в центре этого соленоида. При этом надо принять во внимание, что для упомянутого «длинного» соленоида практически (H_N)_max = H_N,∞ (как оговорено выше – с погрешностью ε₁ ≤ 1…2%) и требуемая здесь оценка последует из уравнения, представляющего собой отношение H_N/H_N,∞, что при допустимом отличии H_N и H_N,∞ в пределах до ε₂ = 5% означает: H_N/H_N,∞ = 0,95. Из получаемого для H_N/H_N,∞ уравнения данные [x] применительно к рассматриваемым здесь соленоидам (D = 50мм, L = 0,25…1м и L/D = 5…20) оказались практически одинаковыми: [x] = 52…54 53мм. Собственно, об этом наглядно свидетельствует практически полное сходство всех восходящих (или, что то же – всех нисходящих) участков координатных характеристик (фиг.1) напряженности поля в разных по длине родственных соленоидах.

Величину [x], которая, напомним, соответствует протяженности каждой из двух приторцевых частей соленоида (должны находиться за пределами искомой исполнительной зоны) резонно рассматривать по ее отношению к длине соленоида L, т.е. [x]/L. Это отношение при увеличении L, а в более общем случае – при увеличении относительной длины соленоида L/D, разумеется, убывает (фиг.3, вверху слева, линия 1). Примечательно, что полученная зависимость [x]/L от L/D, будучи представленной в логарифмических координатах (фиг.3, вверху справа, линия 1), квазилинеаризуется, демонстрируя тем самым степенную связь [x]/L с L/D, причем в данном случае – простую обратную: [x]/L = q/(L/D) при значении здесь (т.е. когда ε₂ = 5%) феноменологического параметра q = 1,06. Если уйти от вида (обобщающего) этой связи, в которой фигурируют относительные параметры [x]/L и L/D, т.е. получить из нее зависимость [x] = qD, то можно оперативно оценивать абсолютную величину [x] (располагая значениями параметров q и D).

Параметр q, заметим, при ином выбираемом допускаемом отличии H_N и H_N,∞ принимает другое значение. В частности, при ужесточении снижения H_N по сравнению с H_N,∞ величиной ε₂ = 3% (что означает: H_N/H_N,∞ = 0,97) из получаемого выражения для H_N/ H_N,∞ устанавливаются (как и ранее) соответствующие данные [x]. Для рассматриваемых соленоидов они увеличатся до [x] = 69…76 72мм, а при оценке относительных данных [x]/L (фиг.3, вверху слева и справа, линии 2) феноменологический параметр q составит q = 1,44.

Таким образом, искомая протяженность [L] исполнительной зоны соленоида, которая уступает его геометрической длине L на величину, равную удвоенной протяженности приторцевой части, т.е. [L] = L – 2[x] = L – 2qD, при увеличении L возрастает. В используемых соленоидах она возрастает от [L] = 0,144м 0,14м при L = 0,25м до [L] = 0,894м 0,89м при L = 1,0м (фиг.3, слева внизу, линия 1) – когда допустимым принимается значение ε₂ = 5% (при этом q = 1,06). Когда же допускаемым является более жесткое значение ε₂ = 3% (при этом q = 1,44), величина [L] возрастает от [L] = 0,106м 0,11м при L = 0,25м до [L] = 0,856м 0,86м при L = 1,0м (фиг.3, слева внизу, линия 2). Что же касается более общей оценки, а именно оценки зависимости относительной величины протяженности исполнительной зоны, т.е. величины [L]/L, от относительной длины соленоида L/D, то эта зависимость, возрастая нелинейно (фиг.3, справа внизу, линии 1 и 2), описывается выражением:

. (3)

В используемых соленоидах величина [L]/L изменяется от [L]/L = 0,576 0,58 при L/D = 5 до [L]/L = 0,894 0,89 при L/D = 20 (фиг.3, справа внизу, линия 1) – когда ε = 5% и q = 1,06 или от [L]/L = 0,424 0,42 при L/D = 5 до [L]/L = 0,856 0,86 при L/D = 20 (фиг.3, справа внизу, линия 2) – когда ε = 3% и q = 1,44.

Изобретательский уровень предложенного способа подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

[1]. Лившиц Б.Г., Крапошин В.С., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1980. 320 с.

[2]. Патент № 2022292. Способ измерения намагниченности ферромагнитных материалов стержневых образцов. (Попов Г.М.). 1994.

[3]. Патент № 2279689. Вибрационный магнитометр. (Гудошников С.А., Козлов А.Н., Скомаровский В.С.). 2004.

[4]. Патент № 2293344. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала. (Захаров В.А., Зембеков Н.С.). 2005.

[5]. Патент № 2530463. Способ измерения магнитного момента образцов на СКВИД-магнитометре. (Великанов Д.А.). 2012.

[6]. Sandulyak A.V., Tkachenko R.Yu., Sandulyak D.A., Sandulyak A.A., Polismakova M.N., Ershova V.A. Remarks on Selecting Length of Cylindrical Sample to Determine Magnetic Properties of its Material / Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана. Серия «Приборостроение». 2021. №. 2 (135). С. 147–159.

[7]. Сандуляк А.В., Сандуляк Д.А., Ткаченко Р.Ю., Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Киселев Д.О. Магнитные свойства ферромагнитных образцов различной длины, аппроксимация размагничивающего фактора / Материаловедение. 2021. №2. С. 3-8.

[8]. Сандуляк Д.А., Соловьев И.А., Сандуляк А.В., Сандуляк А.А., Ершова В.А. Определение магнитных свойств ферромагнитного материала по данным диагностики образца-цилиндра с учетом критерия его длины / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2023. № 11. С. 1-9.

Изобретение относится к области магнитных измерений. Для оперативного определения длины [L] исполнительной зоны многослойного удлиненного соленоида длиной L и диаметром D выполняют измерение напряженности поля в центре соленоида. Затем определяют напряженность поля в многослойном соленоиде. Необходимую относительную длину L/D соленоида диаметром D устанавливают из условия ограничения в его центре снижения напряженности поля по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения . Относительную длину исполнительной зоны [L]/D устанавливают из условия ограничения снижения напряженности поля на удалении от центра соленоида по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения . 4 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ идентификации в многослойном удлиненном соленоиде исполнительной зоны, а именно зоны практически однородного, постоянного по напряженности H = H_N, поля для выполнения экспериментов, в том числе направленных на изучение магнитных свойств образцов, помещаемых в срединную часть соленоида длиной L и диаметром D, при этом длина [L] исполнительной зоны соленоида меньше его геометрической длины L на величину, равную общей длине концевых участков соленоида, в пределах которых значения H = H_N ослаблены по сравнению со значениями H = H_N в его срединной части, отличающийся тем, что для оперативного определения длины [L] исполнительной зоны многослойного удлиненного соленоида длиной L и диаметром D выполняют измерение напряженности поля на расстоянии x = L/2 от его торца, т.е. в центре соленоида, где это значение максимальное, т.е. H_N → (H_N)_max, а затем, используя фундаментальное выражение для напряженности поля H = H_n вдоль оси однослойного соленоида и определяя по этому выражению значение напряженности поля в центре соленоида, где это значение максимальное, т.е. H_n → (H_n)_max, находят величину коэффициента адаптации k = (H_N)_max/(H_n)_max, далее путем умножения на k выражения для напряженности поля H = H_n в однослойном соленоиде получают выражение для напряженности поля H = H_N в многослойном соленоиде:

,

где I – величина тока питания соленоида, n = ω/L – число витков ω провода, приходящихся на единицу длины соленоида, при этом относительную длину L/D используемого удлиненного соленоида устанавливают из условия ограничения в центре соленоида снижения напряженности поля по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения , а относительную длину исполнительной зоны удлиненного соленоида [L]/D устанавливают из условия ограничения снижения напряженности поля на удалении от центра соленоида по сравнению с ее потенциальной величиной не более принимаемого допускаемого значения .

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для многослойного соленоида внутренним диаметром D = 50 мм и толщиной намотки 37 мм, длиной от L = 0,25 м до L = 1,0 м, т.е. его относительной длиной от L/D = 5 до L/D = 20, коэффициент адаптации k составляет практически постоянную величину k = 1,05…1,1 1,08.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из условия ограничения снижения напряженности поля в центре соленоида, в частности, не более чем на = 1…2% по сравнению с ее потенциальной величиной, а именно этой величиной в бесконечно длинном соленоиде, относительная длина соленоида L/D, при которой такой соленоид квалифицируется как достаточно удлиненный, с присутствующей в нем исполнительной зоной, должна быть L/D ≥ 5…7.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что относительная длина [L]/L исполнительной зоны удлиненного соленоида подчиняется установленной связи с L/D:

при значении параметра q, зависящего от выбора допускаемого снижения напряженности поля на удалении от центра соленоида по сравнению с ее потенциальной величиной.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что для соленоида относительной длиной от L/D = 5 до L/D = 20 относительная длина исполнительной зоны удлиненного соленоида составляет от [L]/L = 0,58 до [L]/L = 0,89 при допускаемом значении = 5% и соответствующем ему значении параметра q = 1,06 или, как вариант, относительная длина исполнительной зоны составляет от [L]/L = 0,42 до [L]/L = 0,86 при допускаемом значении = 3% и соответствующем ему значении q = 1,44.