Способ получения электропроводящей магнитной жидкости и ее применение для измерения параметров магнитного поля Российский патент 2024 года по МПК G01R33/02 

Область техники, к которой относится изобретение:

Группа изобретений относится к способу получения электропроводящей магнитной жидкости на основе органического растворителя; электропроводного компонента, обладающего магнитными свойствами; дополнительного электропроводного компонента и веществ-стабилизаторов, а также ее применению для измерения параметров магнитного поля, и может быть использовано в электронной технике (в контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуре).

Уровень техники:

Применение магнитных жидкостей в технике основано на использовании изменений их реологических (вязкости, пластичности, упругости), теплофизических, оптических и других свойств под действием внешнего магнитного поля. При этом изменения электрических свойств магнитных жидкостей под действием внешнего поля используются в меньшей степени, несмотря на то, что контроль электрических свойств жидких веществ несложен и, как правило, не требует применения сложного специализированного оборудования.

Известно применение электропроводящих магнитных жидкостей в электротехнике: в составе контактных электродов [1], соединительных штифтов [2, 3], переключателей [4].

Также известно применение электропроводящих магнитных жидкостей в электронной технике для измерения параметров магнитного поля.

Изобретение [5] предполагает использование для этих целей эллипсовидной капсулы из эластичного материала, заполненной электропроводящей магнитной жидкостью. Через стенки капсулы к магнитной жидкости подведены два электрода, расположенные на концах малой оси эллипса, посредством которых через слой жидкости пропускается электрический ток. При воздействии магнитного поля, направленного вдоль большой оси эллипса, магнитная жидкость начинается двигаться в направлении большой оси, деформируя капсулу. В результате деформации длина большой оси эллипса капсулы увеличивается, а длина малой оси соответственно уменьшается, и электроды приближаются друг к другу. Уменьшение расстояния между электродами приводит к возрастанию тока, величина которого пропорциональна величине индукции приложенного магнитного поля. В качестве магнитного компонента магнитной жидкости предложено использовать металлы и ферриты металлов, обладающие магнитными свойствами; в качестве жидкой фазы - воду, синтетические масла, углеводороды, фторированные углеводороды, сложные эфиры, ртуть, керосин; в качестве поверхностно-активных веществ, добавляемых для стабилизации магнитной жидкости - ненасыщенные жирные кислоты (олеиновую, линолевую, линоленовую), силиконовые жидкости и другие вещества.

Конкретный состав и свойства магнитной жидкости, а также чувствительность предложенного способа измерения не указаны. Недостатками предлагаемого способа измерения параметров магнитного поля являются наличие движущегося элемента (капсулы из эластичного материала) и обусловленная этим сложность конструкции: необходимость обеспечения герметичного соединения электродов с объемом магнитной жидкости через стенки капсулы; необходимость точного подбора размеров камеры, в которую помещена капсула; необходимость поддержания баланса давления внутри камеры при сжатии и расширении капсулы.

Полезная модель [6] на основе электропроводящей магнитной жидкости позволяет при помощи световой индикации показывать заданное критическое значение величины индукции магнитного поля. Принцип действия данной полезной модели заключается в замыкании электрической цепи, в которую включен источник света, вертикально ориентированным столбиком магнитной жидкости, высота которого пропорциональна величине индукции приложенного магнитного поля.

Состав и свойства магнитной жидкости, а также чувствительность предложенного способа измерения не указаны. Недостатками полезной модели являются необходимость вертикального расположения устройства и невозможность получения точных значений величины индукции магнитного поля (за исключением критического значения).

Наиболее близким к заявляемому изобретению по использованию, технической сущности, достигаемому техническому результату и принятым за прототип является способ измерения параметров магнитного поля [7], основанный на изменении электрической емкости конденсатора с диэлектриком из магнитной жидкости под действием приложенного магнитного поля. Применяемая магнитная жидкость состоит из магнитного компонента - смеси наночастиц железа размером 100 нм, частиц карбонильного железа размером 2-5 мкм и частиц нанокристаллического сплава марки 5 БДСР размером 1-140 мкм (основным компонентом сплава является железо) и жидкой основы - полиметилфенилсилоксана марки ПФМС-4. Содержание магнитного компонента - около 15 объемных процентов.

При помещении в магнитное поле конденсатора - измерительной ячейки, представляющей собой емкость с двумя электродами, заполненную диэлектрической магнитной жидкостью, имеет место объединение частиц магнитного компонента в цепочечные агрегаты, которые ориентируются по направлению вектора магнитного поля. Результатом такого объединения и ориентирования является изменение диэлектрической проницаемости магнитной жидкости и соответствующее ему изменение электрической емкости конденсатора, величина которого будет пропорциональна величине индукции приложенного магнитного поля.

Недостатком данного способа измерения параметров магнитного поля является необходимость наличия специализированного оборудования - измерителя электрической емкости.

Раскрытие сущности изобретения:

Задачей заявленной группы изобретений является упрощение процедуры измерения параметров магнитного поля с использованием магнитной жидкости.

Технический результат достигается тем, что параметры изучаемого магнитного поля определяются путем измерения электрического сопротивления электропроводящей магнитной жидкости, которое, как было установлено в экспериментах, изменяется в зависимости от величины индукции магнитного поля, действующего на жидкость. Наиболее вероятной причиной изменения электрического сопротивления электропроводящей магнитной жидкости в магнитном поле является та же самая причина, которая вызывала изменение диэлектрической проницаемости в прототипе - объединение частиц магнитного компонента в цепочечные агрегаты, которые ориентируются по направлению вектора магнитного поля и через которые может протекать электрический ток [8, 9].

Для определения электрического сопротивления измеряются два параметра: приложенное к электродам заданное постоянное электрическое напряжение и сила тока в измерительной ячейке, которая изменяется под действием приложенного магнитного поля. Измерение указанных параметров осуществляется при помощи широко используемых средств измерения (амперметров, вольтметров, мультиметров) и не требует применения специализированного оборудования.

Для получения электропроводящей магнитной жидкости используются:

1. Магнитный компонент на основе частиц карбонильного железа, поверхность которых подвергнута химическому меднению по способу, описанному в изобретении [10], где нанесение слоя меди на частицы железа проводилось с целью увеличения электропроводности экранирующих покрытий. Медь, осажденная на поверхности частиц карбонильного железа, способствует увеличению электропроводности магнитного компонента (для сравнения: удельное электрическое сопротивление меди составляет 0,0168 мкОм*м, а удельное электрическое сопротивление железа почти в шесть раз выше: 0,099 мкОм*м).

Выбор карбонильного железа в качестве основы магнитного компонента обусловлен следующими факторами:

а) железо и железосодержащие частицы обладают высокой чувствительностью к воздействию магнитного поля [7, 11],

б) размер частиц карбонильного железа (несколько мкм) приблизительно соответствует середине диапазона размеров частиц, использованных при получении магнитной жидкости в прототипе [7]. Следовательно, при использовании частиц карбонильного железа возможно избежать нежелательные явления, возникающие в двух крайних случаях: снижение чувствительности способа измерения при слишком малом размере частиц и снижение устойчивости магнитной жидкости при слишком большом размере частиц [7].

Содержание магнитного компонента в магнитной жидкости составляет 85 мас.% и является экспериментально установленным оптимальным значением, при котором достигается электропроводность, достаточная для практической реализации предложенного способа измерения параметров магнитного поля.

2. Органический растворитель, состоящий из смеси предельных углеводородов с числом атомов углерода от 10 до 15 и содержащий добавку дисперсной меди, полученной восстановлением оксида двухвалентной меди углеродом в среде полидиметилсилоксана при нагревании (добавка дисперсной меди вводится с целью увеличения электропроводности магнитной жидкости).

Выбор указанного органического растворителя обусловлен его подходящими физико-химическими свойствами и хорошей совместимостью с другими компонентами магнитной жидкости.

3. Дополнительные компоненты, используемые для стабилизации магнитной жидкости [11]: поверхностно-активные вещества (олеиновая кислота и додецилсульфат натрия) и тиксотропная добавка (искусственный каучук). Целью введения тиксотропной добавки является повышение способности магнитной жидкости уменьшать вязкость при воздействии магнитного поля и увеличивать ее при прекращении воздействия.

Осуществление изобретения:

Сущность группы изобретений поясняется следующим примером получения электропроводящей магнитной жидкости и реализации процедуры измерения параметров магнитного поля с использованием полученной магнитной жидкости.

Осуществляют химическое меднение карбонильного железа марки Р-10 (ГОСТ 13610-79, средний размер частиц: 10 мкм) в растворе сульфата двухвалентной меди (ГОСТ 19347-2014) согласно методике, описанной в [10], с последующей промывкой 10%-ным раствором трилона Б (с целью удаления окислителей - солей трехвалентного железа), дистиллированной водой, этанолом и ацетоном.

Получают суспензию дисперсной меди в органическом растворителе. К полидиметилсилоксану марки ПМС-1000 (ГОСТ 13032-77) добавляют стехиометрическую смесь порошков оксида двухвалентной меди (ГОСТ 16539-79) и углерода - активированного угля (ГОСТ Р 56357-2015) и выдерживают при температуре 230 градусов по Цельсию в течение одного часа. После остывания смеси полидиметилсилоксан удаляется, а выпавшая в осадок медь диспергируется в смеси предельных углеводородов с числом атомов углерода от 10 до 15 - вазелиновом масле (ГОСТ 3164-78).

К полученной суспензии добавляют олеиновую кислоту (ГОСТ 7580-91), додецилсульфат натрия и суспензию хлоропренового каучука (ГОСТ ISO 2475-2013) в вазелиновом масле (концентрация суспензии: 5 мас.%), после чего суспензию подвергают интенсивному механическому перемешиванию.

После перемешивания к суспензии добавляют карбонильное железо, предварительно подвергнутое химическому меднению. Суспензию перемешивают и выдерживают при температуре 90 градусов по Цельсию в течение четырех часов.

В итоге получается электропроводящая магнитная жидкость (фиг. 1) следующего состава (мас.%):

магнитный компонент (омедненное карбонильное железо): 85,0

органический растворитель (вазелиновое масло): 8,2

дисперсная медь: 5,0

олеиновая кислота: 1,0

додецилсульфат натрия: 0,2,

хлоропреновый каучук: 0,6.

Плотность полученной жидкости: 2,1 г/см³, электрическое сопротивление и электрическая емкость при отсутствии внешнего магнитного поля: более 60 МОм и около 0,02 нФ, соответственно.

Основные электрические характеристики электропроводящей магнитной жидкости, определяющие ее применимость для измерения параметров магнитного поля, установлены путем изучения зависимостей силы тока, протекающего через измерительную ячейку с магнитной жидкостью, от величины индукции действующего магнитного поля при различных значениях постоянного электрического напряжения, приложенного к электродам.

Измерительная ячейка (фиг. 2) представляет собой стеклянную кювету объемом 1,5 см³ с двумя медными электродами (расстояние между электродами: 3 мм). Ячейка, полностью заполненная электропроводящей магнитной жидкостью, подвергается воздействию магнитного поля, которое создается постоянными магнитами с известной величиной магнитной индукции, располагаемыми на поверхности нижней части ячейки (направление вектора магнитной индукции В перпендикулярно направлению приложенного электрического поля - фиг. 3).

По известной величине приложенного постоянного напряжения и измеренной силе тока рассчитывается электрическое сопротивление слоя электропроводящей магнитной жидкости при различных значениях магнитной индукции (диапазон изменения измеренной силы тока: 2-17 мкА, диапазон изменения магнитной индукции приложенного поля: 200-400 мТл).

Исследовано поведение магнитной жидкости при двух величинах приложенного электрического напряжения: 5 вольт и 12 вольт и в двух режимах изменения величины магнитной индукции: при ее увеличении от 200 до 400 мТл и последующем уменьшении от 400 до 200 мТл.

Полученные результаты (фиг. 4, 5), рассчитанные как средние арифметические значения электрического сопротивления в трех последовательных циклах увеличения и уменьшения магнитной индукции, свидетельствуют о явлении гистерезиса, который имеет место при изменении электрического сопротивления электропроводящей магнитной жидкости под действием магнитного поля: при увеличении и последующем уменьшении величины индукции сопротивление имеет разные значения. Такое поведение, характерное для магнитных жидкостей с содержанием магнитного компонента на уровне 90% и более [11], может быть объяснено частичным сохранением в условиях более слабого магнитного поля упорядоченной структуры цепочечных агрегатов магнитных частиц, которая образовалась ранее в условиях более сильного поля (очевидно, что в условиях более сильного магнитного поля может образоваться более упорядоченная структура, которая обладает большей электропроводностью и, соответственно, более низким электрическим сопротивлением).

Обнаруженный эффект гистерезиса может быть полезен при создании электронных регуляторов различных устройств, в которых необходимо уменьшить частоту включений и отключений какой-либо системы, например, системы включения и отключения нагрева или охлаждения в термостатах; системы оповещения в устройствах сигнализации; системы регулирования напряжения в электрической сети; системы подачи компонентов (топлива, реагентов) в устройствах дозирования и т.д. Применение подобных регуляторов может исключить необходимость использования электромеханических реле и полупроводниковых приборов, которые применяются в схемах электронного гистерезиса.

На основании полученных результатов (фиг. 4, 5) оценена чувствительность разработанной процедуры измерения параметров магнитного поля. Чувствительность была рассчитана как среднее арифметическое значений первой производной функций зависимости электрического сопротивления от величины индукции приложенного магнитного поля (первой производной уравнений 1-4, фиг. 4, 5) во всех точках диапазона измерений. При приложенном напряжении 5 вольт чувствительность способа составила 0,005*10⁶ Ом/мТл, а при напряжении 12 вольт: 0,003*10^б Ом/мТл. При этом наибольшие величины чувствительности имели место в нижней части диапазона измерений - при величинах магнитной индукции 220-250 мТл, что свидетельствует о возможности расширения диапазона измерений в сторону еще более низких значений индукции магнитного поля.

Оценка удельной электропроводности электропроводящей магнитной жидкости показала, что данная характеристика находится на уровне 1,5*10¹⁰ Ом*мм²/м, что приблизительно соответствует аналогичной характеристике химического элемента бора.

Использование разработанной электропроводящей магнитной жидкости позволяет:

1. Упростить процедуру измерения параметров магнитного поля за счет исключения необходимости использования специализированного оборудования для измерения электрической емкости.

2. Реализовать способы изготовления электронных регуляторов, использующих явление гистерезиса, на основе разработанной электропроводящей магнитной жидкости, что позволит исключить необходимость применения электромеханических реле и полупроводниковых приборов.

Перечень использованных источников:

1. Изобретение SU 1252830 А1. Коммутирующее устройство.

2. Изобретение RU 198580 U1. Контактный штырь электрического разъема

3. Изобретение US 5993269 A. Connecting pin having electrically conductive magnetic fluid.

4. Изобретение SU 1121713 A1. Переключатель с сегментированным потоком жидкости.

5. Изобретение CN 115407249 A. Magnetic field sensor based on conductive magnetic fluid and system thereof.

6. Полезная модель CN 219369970 U. Magnetic field intensity measuring device based on conductive magnetic fluid.

7. Изобретение RU 2709703 C1. Способ измерения параметров магнитного поля.

8. Электрореологические и магнитореологические жидкости // Сайт портала «Современные технологии производства». URL: https://extxe.com/14496/jelektroreologicheskie-i-magnitoreologicheskie-zhidkosti (дата обращения: 19.11.2023)

9. Zyatkov D.O., Yurchenko A.V., Balashov V.B., Yurchenko V.I. The Capacitive Magnetic Field Sensor // Journal of Physics: Conference Series. 2016. 671(1):012065. DOI: 10.1088/1742-6596/671/1/012065. URL: https://www.researchgate.net/publication/29118613l_The_Capacitive_Magnetic_Field_Sensor (дата обращения: 19.11.2023)

10. Изобретение SU 1740395 А1. Электропроводящий наполнитель для получения состава экранирующего покрытия.

11. Магнитореологические жидкости: технологии создания и применение: монография / Е.С. Беляев [и др.]; под ред. А.С. Плехова. - Нижегород. гос.техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева, 2017. - 94 с. URL: https://vntr.ru/lib/vntr18-VOL7.pdf (дата обращения: 19.11.2023).

Использование: для получения электропроводящей магнитной жидкости и измерения параметров магнитного поля с помощью нее. Сущность изобретения заключается в том, что получают электропроводящую магнитную жидкость на основе органического растворителя, электропроводного компонента, обладающего магнитными свойствами, и веществ-стабилизаторов, при этом в качестве электропроводного компонента, обладающего магнитными свойствами, используется карбонильное железо в количестве 85 мас.%, частицы которого покрыты медью с целью увеличения электропроводности; магнитная жидкость содержит дополнительный электропроводный компонент - дисперсную медь в количестве 5 мас.%; в качестве веществ-стабилизаторов совместно применяются поверхностно-активные вещества: олеиновая кислота в количестве 1,0 мас.% и додецилсульфат натрия в количестве 0,2 мас.% и тиксотропное вещество: хлоропреновый каучук в количестве 0,6 мас.%. Измерение параметров магнитного поля выполняется путем определения изменений электрических параметров магнитной жидкости под действием магнитного поля, при этом в качестве изменяемого электрического параметра рассматривается электрическое сопротивление электропроводящей магнитной жидкости при приложении постоянного электрического напряжения и постоянном расстоянии между электродами измерительной ячейки; величина индукции магнитного поля определяется по градуировочным характеристикам, полученным при различных значениях приложенного электрического напряжения. Технический результат: упрощение измерения параметров магнитного поля, а также обеспечение возможности изготовления электронных регуляторов, использующих явление гистерезиса, на основе разработанной электропроводящей магнитной жидкости, что позволяет исключить необходимость применения электромеханических реле и полупроводниковых приборов. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ получения электропроводящей магнитной жидкости на основе органического растворителя, электропроводного компонента, обладающего магнитными свойствами, и веществ-стабилизаторов, отличающийся тем, что в качестве электропроводного компонента, обладающего магнитными свойствами, используется карбонильное железо в количестве 85 мас.%, частицы которого покрыты медью с целью увеличения электропроводности; магнитная жидкость содержит дополнительный электропроводный компонент - дисперсную медь в количестве 5 мас.%; в качестве веществ-стабилизаторов совместно применяются поверхностно-активные вещества: олеиновая кислота в количестве 1,0 мас.% и додецилсульфат натрия в количестве 0,2 мас.% и тиксотропное вещество: хлоропреновый каучук в количестве 0,6 мас.%.

2. Применение электропроводящей магнитной жидкости, полученной согласно способу по п. 1, для измерения параметров магнитного поля путем определения изменений электрических параметров магнитной жидкости под действием магнитного поля, отличающееся тем, что в качестве изменяемого электрического параметра рассматривается электрическое сопротивление электропроводящей магнитной жидкости при приложении постоянного электрического напряжения и постоянном расстоянии между электродами измерительной ячейки; величина индукции магнитного поля определяется по градуировочным характеристикам, полученным при различных значениях приложенного электрического напряжения.