Способ определения магнитной индукции в ферромагнитном образце и его материале Российский патент 2025 года по МПК G01R33/12 

Способ относится к области магнитных измерений. Предназначен для определения магнитной индукции в дисперсном (модельно квазисплошном) ферромагнитном материале посредством исследований образцов разной относительной длины, изготовленных из этого материала.

Известны варианты способа определения магнитных свойств ферромагнетика, когда электромагнитной системой (для намагничивания образца ферромагнетика) является соленоид [1-4]. Это позволяет пользоваться вполне приемлемым для исследований разных образцов единым, в определенной мере универсальным в подобного рода исследованиях, источником магнитного поля, т.е. соленоидом.

Но этот способ, при реализации разных вариантов которого исследованиям подвергается незамкнутый образец, т.е. обладающий определенным размагничивающим фактором N (зависящим от формы образца, его размеров и H), позволяет получать лишь информацию о магнитных свойствах именно образца – без раскрытия сведений о магнитных свойствах его материала. К тому же, в описанных вариантах способа не приводится информация о возможности изучения гранулированных образцов. Вопрос получения сведений о магнитной индукции именно в таком материале (квазисплошном) остается не выясненным.

Из материалов публикаций [5, 6] известен способ определения магнитных свойств (в том числе, индукции) такого ферромагнитного материала как дисперсный, в частности, гранулированный (представляющий собой образец в виде засыпки подшипниковых шаров) – посредством исследований цилиндрических образцов разной длины l, отнесенной к диаметру d. Намагничивание образцов той или иной относительной длины λ = l/d поочередно осуществляли в электромагнитной системе, выполненной в виде удлиненного (по сравнению даже с самым длинным исследуемым образцом) соленоида. Каждый из образцов подвергался намагничиванию в сердцевинной части соленоида (значит, влияние на намагничивание образца концевых участков соленоида, где напряженность H создаваемого поля занижена, исключалось). Получали зависимости от λ (семейство зависимостей – при разных значениях H) ряда базовых магнитных параметров, в числе которых один из ключевых – магнитная индукция B в образце. По тренду каждой из зависимостей B от λ этого семейства визуально идентифицировали значение λ, при котором начинается область ее автомодельности («плато»); это свидетельствовало о том, что здесь, т.е. уже для достаточно длинного образца, размагничивающий фактор N становился исчезающе мал (N → 0). Тем самым для каждой из зависимостей B от λ определяли критериальное значение λ = [λ], при достижении и превышении которого, т.е. при λ ≥ [λ], магнитная индукция B в образце практически соответствует индукции в его материале (для гранулированных образцов – в его квазисплошном материале).

К сожалению, в аналоге не оговорено значение плотности упаковки засыпки шаров γ, которое достигает образец. Между тем, величина данного параметра влияет на магнитные свойства образца, поскольку его структура может формироваться как более плотная, так и более рыхлая – в зависимости от диаметра D емкости (контейнера), где осуществляется засыпка гранул, и действий по уплотнению засыпки. Указание на решение, способствующее достижению такой плотности упаковки γ, которое было бы близко к значению γ при естественной засыпке гранул, отсутствует. Согласно [7] для гранулированных сред-засыпок их плотность упаковки, близкая к упаковке при естественной засыпке гранул, составляет порядка γ = 0,58...0,62 ≅ 0,6 (формируется структура, близкая к структуре, состоящей из квадратно-ромбических ячеек), что можно достичь, когда диаметр D емкости (контейнера), куда осуществляется засыпка гранул, значительно превышает диаметр d гранул. Кроме того, что касается идентификации критериального значения относительной длины λ = [λ] исследуемого образца, когда эта идентификация осуществляется визуальной оценкой, ее результат может быть недостаточно точным. Вместо такой, в определенной мере субъективной, оценки (по не столь конкретному, несколько размытому, признаку старта области автомодельности на каждой из получаемых зависимостей B от λ), предпочтительной была бы аналитическая (основанная на математическом инструментарии) идентификация.

Известен способ (прототип) определения магнитных свойств (в частности, магнитной индукции В) ферромагнитного дисперсного материала в виде засыпки гранул (шаров). Как и в предшествующем аналоге, цилиндрические образцы разной относительной длины λ [8] поочередно намагничивали в сердцевинной части удлиненного соленоида. По найденному семейству зависимостей B от λ (при разных значениях напряженности поля Н) устанавливали критериальное значение λ = [λ] – уточненное. Для этого, в отличие от аналога, осуществляли его идентификацию аналитическим путем, для чего восходящий участок каждой из зависимостей B от λ аппроксимировали логарифмической функцией, которая в избранных для нее координатах с логарифмической осью абсцисс отображает этот участок как квазилинейный. Тогда, пользуясь приемом кусочно-линейной аппроксимации (адаптированной к таким координатам), значение λ = [λ] идентифицировали как абсциссу точки пересечения этого (теперь уже квазилинейного) участка и интерполированного хвостового, отображенного в тех же координатах, относящегося к автомодельной области, участка зависимости B от λ.

Тем не менее, как и в предшествующем аналоге, не оговорено значение плотности упаковки засыпки шаров γ, связанное с формированием структуры образца (которая должна быть близка к структуре естественной упаковки гранул-шаров, т.е. состоящей из квадратно-ромбических ячеек: γ = 0,58...0,62 ≅ 0,6) и уровнем проявления его магнитных свойств. Также отсутствует указание на решение, способствующее достижению такой плотности упаковки γ. При этом идентификация критериального значения относительной длины λ = [λ] исследуемого образца (аналитическая) должна осуществляться исходя из реально достигнутой (при фактически используемых значениях диаметра D контейнера, где осуществляется засыпка гранул диаметром d, и предпринимаемых действий по уплотнению засыпки) плотности упаковки γ. Отмеченные недостатки негативно сказываются на точности получения результата по определению показателя магнитных свойств дисперсного (гранулированного) материала, в частности, магнитной индукции в нем.

Задача изобретения заключается в повышении точности получения результата по определению показателя магнитных свойств, в частности, магнитной индукции, дисперсного (гранулированного) материала.

Поставленная задача решается в способе определения магнитной индукции в ферромагнитном дисперсном (гранулированном) образце с присущей ему плотностью упаковки γ гранул эквивалентным диаметром d и магнитной индукции в его квазисплошном материале. Заключается в экспериментальном исследовании образцов разной относительной длины λ, поочерёдно помещаемых в неферромагнитный контейнер цилиндрической формы диаметром D. При этом исследования проводятся при разных значениях напряженности намагничивающего поля H, создаваемого электромагнитной системой в виде удлиненного соленоида, получении данных магнитной индукции B в каждом из образцов и семейства зависимостей B от λ. Это дает возможность оценки значения λ = [λ], при котором начинается область автомодельности каждой из зависимостей B от λ для определения присущему каждой из них критериального значения [λ], при достижении и превышении которого, т.е. при λ ≥ [λ], значение индукции B в образце практически соответствует значению индукции в его материале. Для получения уточненного значения λ = [λ] осуществляют аппроксимацию восходящего участка каждой из зависимостей B от λ такой функцией, которая в избранных для нее координатах отображает этот участок как квазилинейный. Тогда значение λ = [λ] идентифицируют как абсциссу точки пересечения этого участка и хвостового, отображенного в тех же координатах, относящегося к автомодельной области, участка зависимости B от λ. Согласно способу, контейнер с образцом в виде вертикальной засыпки дисперсного гранулированного материала в этот контейнер, диаметр D которого должен значительно превышать диаметр d гранул, подвергают вибрационному воздействию, достигая такую, практически предельную для засыпки, плотность упаковки γ гранул исследуемого образца, когда по мере вибрационного воздействия прекращается снижение верхнего уровня этой засыпки и обеспечивается упаковка гранул, близкая к состоянию естественной засыпки. Тем самым достигается структура засыпки, близкая к формированию структуры с квадратно-ромбическими ячейками. Для установления же критериального значения [λ] аппроксимацию восходящего участка получаемой зависимости B от λ проводят с учетом реально достигнутой (измеряемой в опытах) плотности упаковки γ при вибрационном воздействии на контейнер с образцом.

Для достижения более точных значений показателя магнитных свойств (в частности, индукции) диаметр D контейнера, в который осуществляют засыпку гранулированного материала, должен превышать диаметр гранул d не менее чем в 4,5...5 раз, а вибрационное низкочастотное воздействие на засыпку гранулированного материала, в результате которого снижается верхний уровень засыпки с достижением плотности упаковки γ гранул до значений γ = 0,58...0,62, т.е. до значения, близкого к γ ≅ 0,6, когда уплотнение упаковки гранул практически соответствует структуре с квадратно-ромбическими ячейками, производят с частотой 3...5 Гц. При этом контроль значения плотности упаковки γ можно осуществлять согласно весовому методу, как частное от деления используемой в контейнере массы гранулированной среды на массу условно сплошного образца, состоящего из материала гранул известной плотности, объемом, равным объему, занимаемому гранулированной средой.

Аппроксимацию восходящего участка каждой из зависимостей B от λ, например, получаемых для засыпки подшипниковых ферромагнитных шаров из стали 95Х18, целесообразно осуществлять логарифмической функцией вида B=A₁⋅ln(k₁⋅λ). В полулогарифмических координатах, имеющих логарифмическую ось абсцисс, такая функция отображает этот участок как квазилинейный. При этом с изменением напряженности поля, например, в диапазоне H = 14…131 кА/м, параметры A₁ и k₁ изменяются в пределах A₁ = 0,037…0,18 Тл и k₁ = 1,7…5,3. Для гранулированных образцов при определении критериального значения λ = [λ], убывающего от [λ] = 7,8 при H = 14 кА/м до [λ] = 4,9 при H = 131 кА/м, кроме получаемой в графическом виде зависимости [λ] от H используется феноменологическая формула [λ] = (A_H⋅H)^{– β} степенного вида, где параметры A_H и β составляют: A_H = 3,4⋅10^–6 м/кА и β = 0,2.

В случае максимально возможной плотности упаковки изучаемого образца, когда γ = 1, т.е. для сплошного образца, аппроксимацию каждого из восходящих участков зависимостей B от λ, получаемых для образцов, например, из ферромагнитной стали 40Х, целесообразно осуществлять степенной функцией B = A_λ⋅λ^α. Именно в логарифмических координатах она отображает этот участок как квазилинейный. При этом параметр A_λ изменяется в пределах A_λ = 0,01…0,4 Тл при изменении напряженности поля, например, в диапазоне H = 5,2…127 кА/м, а показатель степени α в этом диапазоне H практически близок к постоянному значению α = 1,2. Здесь для определения критериального значения λ = [λ], убывающего при увеличении напряженности H поля от [λ] = 30 при H = 5,2 кА/м до [λ] = 3,3 при H = 127 кА/м, используется получаемая графическая зависимость или/и феноменологическая формула степенного вида [λ] = (A_H⋅H)^–β, где параметры A_H и β составляют: A_H = 1,3⋅10^–3 м/кА и β = 0,69.

При использовании в экспериментах с гранулированными и сплошными образцами многослойного соленоида длиной 1,02 м и внутренним диаметром 50 мм длина его исполнительной зоны, т.е. зоны в срединной части соленоида, составляет не более 80% от длины соленоида (при допускаемом отклонении до 3% значения H, измеряемого при приближении к торцам соленоида, от значения H в его срединной части).

Ниже приводятся результаты экспериментов, на примере которых комментируется реализация предлагаемого способа.

В неферромагнитный контейнер диаметром D = 40 мм поочередно осуществляли засыпку четырёх партий ферромагнитных (стальных) шаров. В каждой из этих партий шаров их диаметр составлял соответственно d = 1,25 мм, d = 2,7 мм, d = 8,9 мм и d = 13 мм. На контейнер с находящейся в нем засыпкой оказывалось вибрационное низкочастотное воздействие с частотой 3...5 Гц – для обеспечения ее необходимой усадки (понижения верхнего уровня засыпки в контейнере). Измеряя плотность упаковки γ шаров в каждой из партий засыпки, получали зависимость γ от отношения D/d (Фиг. 1). Контроль значения γ осуществляли согласно весовому методу: как частное от деления используемой в контейнере массы гранулированной среды на массу условно сплошного образца (состоящего из материала гранул той же плотности) объемом, равным объему, занимаемому гранулированной средой. Получаемая зависимость γ от D/d (Фиг. 1) сначала заметно возрастает, лишь при D/d ≥ 4,5...5, достигнув значения γ = 0,58...0,62 ≅ 0,6, практически прекращает рост. Такие значения γ означают, что засыпка шаров достаточно уплотнена и структура естественной упаковки гранул-шаров близка к структуре с квадратно-ромбическими ячейками [7].

В ходе дальнейших экспериментов, а именно по намагничиванию образцов засыпки разной длины L (относительной длины λ = L/D), использовали подшипниковые ферромагнитные шары (сталь 95Х18), помещаемые в упомянутый неферромагнитный контейнер цилиндрической формы диаметром D = 40 мм. После вибрационного воздействия и контрольного измерения плотности упаковки γ, которое достигало γ ≅ 0,59 осуществляли намагничивание образцов в электромагнитной системе (в виде удлиненного соленоида) – при разных значениях напряженности намагничивающего поля H, с получением данных магнитной индукции B в каждом из образцов и семейства зависимостей B от λ (Фиг. 2, слева). Проводилась оценка значения λ = [λ], при котором начинается область автомодельности каждой из зависимостей B от λ для определения критериального значения [λ], при достижении и превышении которого, т.е. при λ ≥ [λ], значение индукции B в образце практически соответствует значению индукции в его материале (квазисплошном). Для получения уточненного значения λ = [λ] осуществляли аппроксимацию восходящего участка каждой из зависимостей B от λ такой функцией, которая в избранных для нее координатах отображает этот участок как квазилинейный.

Как показали исследования указанных гранулированных образцов, аппроксимацию восходящего участка каждой из зависимостей В от λ целесообразно осуществлять логарифмической функцией вида B=A₁⋅ln(k₁⋅λ). В полулогарифмических координатах, имеющих логарифмическую ось абсцисс, такая функция отображает этот участок как квазилинейный (Фиг. 2, посередине). При этом с изменением напряженности поля, например, в диапазоне H = 14…131 кА/м, параметры A₁ и k₁ изменяются в пределах A₁ = 0,037…0,18 Тл и k₁ = 1,7…5,3. Значение λ = [λ] при таком аналитическом подходе идентифицировали как абсциссу точки пересечения этого (восходящего) участка и хвостового, отображенного в тех же координатах, относящегося к автомодельной области, участка зависимости B от λ. При этом критериальное значение λ = [λ] изменяется в зависимости от напряженности Н: от [λ] = 7,8 при H = 14 кА/м до [λ] = 4,9 при H = 131 кА/м, в связи с чем, кроме зависимости [λ] от H, получаемой в графическом виде, также используется феноменологическая формула [λ] = (A_H⋅H)^–β степенного вида (Фиг. 2, справа), где параметры A_H и β составляют: A_H = 3,4⋅10^–6 м/кА и β = 0,2.

Следует отметить, что в случае максимально возможной плотности упаковки изучаемого образца, когда γ = 1, т.е. для сплошного образца, аппроксимацию каждого из восходящих участков зависимостей B от λ, получаемых для образцов, например, из ферромагнитной стали 40Х (Фиг. 3, слева), целесообразно осуществлять степенной функцией B = A_λ⋅λ^α (Фиг. 3, посередине), поскольку она отображает этот участок как ожидаемый квазилинейный: именно в логарифмических координатах. При этом параметр A_λ изменяется в пределах A_λ = 0,01…0,4 Тл при изменении напряженности поля, например, в диапазоне H = 5,2…127 кА/м, а показатель степени α в этом диапазоне H практически близок к постоянному значению α = 1,2. Здесь для определения критериального значения λ = [λ], убывающего при увеличении напряженности H поля от [λ] = 30 при H = 5,2 кА/м до [λ] = 3,3 при H = 127 кА/м, используется получаемая графическая зависимость или/и феноменологическая формула степенного вида (Фиг. 3, справа) [λ] = (A_H⋅H)^–β, где параметры A_H и β составляют: A_H = 1,3⋅10^–3 м/кА и β = 0,69.

При проведении всех экспериментов учитывалась протяженность исполнительной зоны в срединной части соленоида (в частности, длиной 1,02 м и внутренним диаметром 50 мм), в которую поочередно помещаются образцы для исследования. Эта зона составляет не более 80% от длины соленоида при допускаемом отклонении до 3% от значения H, измеряемого в срединной части соленоида (при приближении к торцам соленоида значения H уменьшаются).

Изобретательский уровень предложенного устройства подтверждается отличительной частью формулы изобретения.

[1]. Попов Г.М. Способ измерения намагниченности ферромагнитных материалов стержневых образцов. Патент № 2022292 от 30.10.1994.

[2]. Гудошников С.А., Козлов А.Н., Скомаровский В.С. Вибрационный магнитометр. Патент № 2279689 от 28.07.2004.

[3]. Великанов Д.А. Способ измерения магнитного момента образцов на СКВИД-магнитометре. Патент № 2530463 от 19.12.2012.

[4]. Захаров В.А., Зембеков Н.С. Способ определения кривой намагничивания ферромагнитного материала. Патент № 2293344 от 14.11.2005.

[5]. Сандуляк А.В., Ткаченко Р.Ю., Сандуляк А.А., Ершова В.А. Исследование свойств магнитных заполнителей цилиндрической формы / Обогащение руд. 2020. №6. C. 26–32.

[6]. Сандуляк А.В., Ткаченко Р.Ю., Сандуляк Д.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.А., Ершова В.А. Анализ зависимости магнитных свойств гранулированных ферромагнитных образцов от соотношения их длины к диаметру / Измерительная техника. 2020. № 6. С. 46–51.

[7]. Сандуляк А.А., Полисмакова М.Н., Сандуляк А.В., Сандуляк Д.А., Хлустиков Д.С. Модель квазиограненных ячеек и возможности ее применения к сыпучим материалам / Стекло и керамика. 2015. № 11. С. 29–34.

[8]. Сандуляк Д.А., Соловьев И.А., Ершова В.А., Сандуляк А.В., Сандуляк А.А. Дисперсный ферромагнетик: контроль магнитных свойств образца и его материала (квазисплошного). Критерий относительной длины образца / Научное приборостроение. 2024. № 2. С. 58–66.

Изобретение относится к области магнитных измерений. Способ определения магнитной индукции в ферромагнитном дисперсном гранулированном образце содержит этапы, на которых контейнер с образцом в виде вертикальной засыпки дисперсного гранулированного материала в этот контейнер, диаметр D которого должен значительно превышать диаметр d гранул, подвергают вибрационному воздействию до достижения такой, практически предельной для засыпки плотности упаковки γ гранул исследуемого образца, когда по мере вибрационного воздействия прекращается снижение верхнего уровня этой засыпки и обеспечивается упаковка гранул, близкая к состоянию естественной засыпки, т.е. близкая к формированию структуры с квадратно-ромбическими ячейками, при этом для установления критериального значения [λ] аппроксимацию восходящего участка получаемой зависимости B от λ проводят с учетом реально достигнутой при вибрационном воздействии на контейнер с образцом плотности упаковки γ. Технический результат - повышение точности получения результата по определению показателя магнитных свойств дисперсного гранулированного материала. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения магнитной индукции в ферромагнитном дисперсном гранулированном образце с присущей ему плотностью упаковки γ гранул, эквивалентным диаметром d и магнитной индукцией в его квазисплошном материале, заключающийся в экспериментальном исследовании образцов разной относительной длины λ, поочерёдно помещаемых в неферромагнитный контейнер цилиндрической формы диаметром D, при этом исследования проводятся при разных значениях напряженности намагничивающего поля H, создаваемого электромагнитной системой в виде удлиненного соленоида, получении данных магнитной индукции B в каждом из образцов и семейства зависимостей B от λ, установлении значения λ = [λ], при котором начинается область автомодельности каждой из зависимостей B от λ, для определения присущему каждой из них критериального значения [λ], при достижении и превышении которого, т.е. при λ ≥ [λ], значение индукции B в образце практически соответствует значению индукции в его материале, при этом для получения уточненного значения λ = [λ] осуществляют аппроксимацию восходящего участка каждой из зависимостей B от λ такой функцией, которая в избранных для нее координатах отображает этот участок как квазилинейный, а значение λ = [λ] идентифицируют как абсциссу точки пересечения этого участка и хвостового, отображенного в тех же координатах, относящегося к автомодельной области, участка зависимости B от λ, отличающийся тем, что контейнер с образцом в виде вертикальной засыпки дисперсного гранулированного материала в этот контейнер, диаметр D которого должен значительно превышать диаметр d гранул, подвергают вибрационному воздействию до достижения такой практически предельной для засыпки плотности упаковки γ гранул исследуемого образца, когда по мере вибрационного воздействия прекращается снижение верхнего уровня этой засыпки и обеспечивается упаковка гранул, близкая к состоянию естественной засыпки, т.е. близкая к формированию структуры с квадратно-ромбическими ячейками, при этом для установления критериального значения [λ] аппроксимацию восходящего участка получаемой зависимости B от λ проводят с учетом реально достигнутой при вибрационном воздействии на контейнер с образцом плотности упаковки γ.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что диаметр D контейнера, в который осуществляют засыпку гранулированного материала, превышает диаметр гранул d не менее чем в 4,5…5 раз.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вибрационное низкочастотное воздействие на засыпку гранулированного материала, в результате которого снижается верхний уровень засыпки с достижением плотности упаковки γ гранул до значений γ = 0,58…0,62, т.е. до значения, близкого к γ ≅ 0,6, когда уплотнение упаковки гранул практически соответствует структуре с квадратно-ромбическими ячейками, производят с частотой 3…5 Гц.

4. Способ по пп. 1-3, отличающийся тем, что контроль значения плотности упаковки γ осуществляют согласно весовому методу, как частное от деления используемой в контейнере массы гранулированной среды на массу условно сплошного образца, состоящего из материала гранул известной плотности, объемом, равным объему, занимаемому гранулированной средой.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при аппроксимации восходящего участка каждой из зависимостей B от λ, в частности получаемых для засыпки подшипниковых шаров из стали 95Х18, осуществляют логарифмической функцией вида B=A₁⋅ln(k₁⋅λ), которая в полулогарифмических координатах, имеющих логарифмическую ось абсцисс, отображает этот участок как квазилинейный, при этом с изменением напряженности поля, например в диапазоне H = 14…131 кА/м параметры A₁ и k₁ изменяются в пределах A₁ = 0,037…0,18 Тл и k₁ = 1,7…5,3.

6. Способ по пп. 1, 5, отличающийся тем, что для гранулированных образцов при определении критериального значения λ = [λ], убывающего от [λ] = 7,8 при H = 14 кА/м до [λ] = 4,9 при H = 131 кА/м, используют получаемую зависимость [λ] от H в графическом виде или/и феноменологическую формулу [λ] = (A_H⋅H)^–β степенного вида, где параметры A_H и β составляют A_H = 3,4⋅10^–6 м/кА и β = 0,2.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае максимально возможной плотности упаковки, когда γ = 1, т.е. для сплошного образца, аппроксимация каждого из восходящих участков зависимостей B от λ, получаемых для образцов, например, из стали 40Х, осуществляют степенной функцией B = Aλ⋅λ^α, которая в логарифмических координатах отображает этот участок как квазилинейный, при этом параметр Aλ изменяется в пределах Aλ = 0,01…0,4 Тл при изменении напряженности поля, например, в диапазоне H = 5,2…127 кА/м, а показатель степени α в этом диапазоне H практически близок к постоянному значению α = 1,2.

8. Способ по пп. 1, 7, отличающийся тем, что для определения критериального значения λ = [λ], убывающего при увеличении напряженности H поля от [λ] = 30 при H = 5,2 кА/м до [λ] = 3,3 при H = 127 кА/м, используют получаемую графическую зависимость или/и феноменологическую формулу степенного вида [λ] = (A_H⋅H)^–β, где параметры A_H и β составляют: A_H = 1,3⋅10^–3 м/кА и β = 0,69.

9. Способ по пп. 1-8, отличающийся тем, что при использовании в экспериментах с гранулированными и сплошными образцами многослойного соленоида длиной 1,02 м и внутренним диаметром 50 мм длина его исполнительной зоны, т.е. зоны в срединной части соленоида, составляет не более 80% от длины соленоида при допускаемом отклонении до 3% значения H, измеряемого при приближении к торцам соленоида, от значения H в его срединной части.