Способ контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством смещения и колебания ее в столбике в магнитном поле и устройство для его выполнения
METHOD OF CONTROLLING PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF A MAGNETIC FLUID BY DISPLACEMENT AND OSCILLATION THEREOF IN A COLUMN IN A MAGNETIC FIELD AND A DEVICE FOR CARRYING OUT SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для контроля комплекса физико-механических свойств магнитной жидкости и может найти применение в разных областях промышленности.
Известен способ контроля физико-механических свойств жидкости по ее колебаниям (см. патент РФ №2192630 МПК 601№13/02, опубликованный 10.11.2002 Бюл. №31), заключающийся в погружении сопла в контролируемую среду и подаче на ее вход газа через генератор акустических колебаний. Формирование акустического амплитудно-моделированного колебания при этом сопло погружено на заданную глубину в контролируемую среду, изменяют расход газа и изменяют несущую частоту акустического, амплитудно-моделированного колебания, по значению которой в момент начала автоколебаний жидкости судят о поверхности натяжением.
Недостатком является отсутствие возможности настройки на требуемую эффективность поглощения энергии колебания. При этом, в процессе работы магнитной жидкости вязкость ее зависит от значения магнитной индукции в области течения жидкости или сдвига ее слоев.
Известен дозатор газа (см. патент РФ №2273002 МПК 01F 11/00, опубликованный 27.03.2006 Бюл. №9), включающий две сообщенные между собой полости, патрубки входа и выхода. Установленную между полостями с возможностью вертикального перемещения перегородку, которая выполнена из магнитной жидкости, расположенной между патрубками входа и выхода газа, удерживаемой через воздушный зазор магнитным полем кольцевого магнита. Ее свободные поверхности имеют форму вогнутого мениска, определяемую неоднородностью магнитного поля в радиальном направлении. При этом внутри кольцевого магнита соосно с ним размещена катушка индуктивности.
Недостатком является невозможность построения и проверки формирования упругости магнитной жидкости в трубке, удерживаемой магнитной левитацией.
Технической задачей предлагаемого изобретения является осуществление контроля физико-механических свойств магнитной жидкости, посредством смещения и колебания ее в столбике в магнитном поле заключающийся в удержании магнитным полем в прозрачной полости столбика магнитной жидкости, сообщающейся с U-образной полостью, заполненной дистиллированной водой и последующей фиксации колебаний посредством индикатора вибрации в виде катушки индуктивности с передачей сигнала через усилитель на осциллограф и смещение ее контроля уровня дистиллированной воды в U-образной полости.
Технический результат достигается тем, что устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости, посредством смещения и колебания ее в столбике в магнитном поле, содержащее полость с патрубками входа и выхода магнитной жидкости, удерживаемой в магнитном поле кольцевого магнита, полость с магнитной жидкостью выполнена из прозрачной трубки, расположенной горизонтально и параллельно поверхности полюсного зазора кольцевого магнита с изменяющимся магнитным полем, а выход прозрачной трубки соединен посредством силиконовой трубки с полостью, выполненной в виде U-образной трубки, которая заполнена дистиллированной водой, кроме того полость из прозрачной трубки выполнена с поршнем для возбуждения колебаний, который соединен с патрубком ее выхода, а в зазоре между прозрачной трубкой и поверхностным наконечником кольцевого магнита на уровне свободной поверхности магнитной жидкости установлен индикатор в виде катушки индуктивности.
На фиг. 1 изображено устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости, посредством смещения ее столбика в изменяющемся магнитном поле. На фиг. 2 - устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости, посредством колебания ее столбика. На фиг. 3 - зависимость напряженности магнитного поля вдоль оси прозрачной трубки, проходящей через центр межполюсного зазора.
Устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством смещения ее столбика включает: сообщенные между собой полости 1 и 2, патрубка входа 3 и выхода 4, магнитной жидкости 5, удерживаемой магнитным полем полюсными наконечниками 6, кольцевого магнита 7. Полость 1 выполнена из прозрачной трубки 8, ось которой проходит горизонтально через центр магнитного зазора 9 параллельно поверхности полюсного зазора 10 кольцевого магнита 7 с сильным магнитным полем, патрубок выхода 4, прозрачной трубки 8, соединен гибким материалом например: силиконовой трубки 11, с полостью 2, выполненной в виде U-образной трубки 12, заполненной дистиллированной водой 13.
Для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством колебания ее столбика в магнитном поле включает в себя: патрубок выхода 4 прозрачной трубки 8 соединен с поршнем 14 для, возбуждения колебаний. В зазоре между прозрачной трубкой 8 и полюсными наконечниками 6, на уровне свободной поверхности 15, столбика магнитной жидкости 5, установлен индикатор вибрации 16, в виде катушки индуктивности, сигнал с которой поступает в усилитель 17 и через осциллограф 18 на компьютер (на фиг. 2 не показано).
Устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством смещения ее столбика в изменяющемся магнитном поле работает следующим образом.
Трубка 8, диаметром d=12 мм, выполнена из прозрачного материала, например, полиметакрилата, и расположена горизонтально так, что ее ось проходит через центр магнитного зазора 9, кольцевого магнита 7, в виде электромагнита ФЛ-1 с диаметром полюсных наконечников 100 мм, достигаемого намагниченности магнитного поля ≥ 100 кА/м, при помощи двух последовательно соединенных источников постоянного тока и фиксируется тесламетром (на фиг. 1 не показаны).
Магнитная жидкость захватывается полем и зависает в нем. При помощи держателя фиксируется положение прозрачной трубки 8 и столбик магнитной жидкости располагается симметрично относительно межполюсного центра 9 кольцевого магнита 7. Патрубком выхода 4 прозрачная трубка 8 соединена силиконовой трубкой 11 с U-образной трубкой 12, куда заливается дистиллированная вода 13, при этом плечи U-образной трубки 12 имеют длину 800 мм, а ее внутренний диаметр 16 мм.
Для измерения ΔZ - смещение столбика магнитной жидкости под действием гидростатического давления в одной плоскости с горизонтальным осевым сечением прозрачной трубки 8 с магнитной жидкостью устанавливается реперная отметка (на фиг. 1 показано пунктиром). Столбик магнитной жидкости перемещается в исходное положение за счет суммарного действия пондеромоторной силы и силы гидростатического давления. Разность уровней воды Δh в коленах U-образной трубки 12 определяется с помощью линейки. Над устройством устанавливается фотокамера для фиксации смещения границы столбика магнитной жидкости.
Устройство для осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством колебания ее столбика в изменяющемся магнитном поле работает следующим образом.
Заполняется прозрачная трубка 8 магнитной жидкостью 5 через патрубок входа 3, после чего она захватывается магнитным полем кольцевого магнита 7 в виде электромагнита ФЛ-1 с диаметром полюсных наконечников 100 мм. При намагниченности магнитного поля ≥ 100 кА/м, достигаемого при помощи двух последовательно соединенных источников постоянного тока и фиксируется тесламетром (на фиг. 2 не показаны). Магнитная жидкость захватывается полем и зависает в нем. При помощи держателя фиксируется положение прозрачной трубки 8 и столбик магнитной жидкости располагается симметрично относительно межполюсного центра 9 кольцевого магнита 7. Поршень 14 соединен с патрубком выхода 4 и используется для возбуждения колебаний. В зазоре между прозрачной трубкой 8 и полюсными наконечниками 6 на уровне свободной поверхности 15 столбика магнитной жидкости 5, установлен индикатор вибрации 16 в виде катушки индуктивности, которое имеет 5000 витков, намотанных медным проводом диаметром 0,071 мм, на каркасе выполненного например из полиметакрилата. Сигнал с индикатором вибрации 16 поступает на усилитель 17. После усиление сигнал передается на осциллограф 18, а затем - на компьютер (на фиг. 2 не показано) для последующей обработки данных.
Пример осуществления способа контроля физико-механических свойств магнитной жидкости посредством смещения и колебания ее в столбике при изменяющемся магнитном поле.
Измерения проведены в диапазоне напряженности магнитного поля от 100 кА/м до 900 кА/м с шагом 50 кА/м (зависимость напряженности магнитного поля от координаты Z вдоль оси, проходящей через центр межполюсного зазора 9 параллельно поверхности полюсного зазора 10 кольцевого магнита 7, представлен на фиг. 3 (см., например, Polunin V.M., Ryapolov P.A., Platonov V.B., Arefiev I.M. Dynamic of the magnetic fluid column in the strong magnetic fields. // 17-я Международная. Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», г. Плес, сентябрь 2016. С. 152-158 Polunin V.M., Ryapolov Р.А., Platonov V.B., Arefiev I.M. Dynamic of the magnetic fluid column in the strong magnetic fields. // 17-я Международная. Плесская научная конференция по нанодисперсным магнитным жидкостям. Сборник научных трудов. ФГБОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И. Ленина», г. Плес, сентябрь 2016. С. 152-158).
Измерительный щуп тесламетра перемещается на расстояние 90 мм с помощью катетометра. Положение щупа в интервалах от 0 до 40 мм и от 70 до 90 мм, устанавливаемое с шагом 10 мм, а в интервале от 40 до 70 мм - с шагом 2 мм, фиксируется с точностью 0,01 мм. Пунктирной линией выделены значения напряженности магнитного поля, характерные для оснований МЖ-столбика. Существенным обстоятельством полученных зависимостей Hx(z) является наличие линейного участка на кривых на уровне z=57,5 мм, что позволяет считать градиент напряженности магнитного поля на этом участке
0
Измерения физических величин ν, Δh и Δz выполнены при фиксированных значениях параметров магнитного поля. В таблице 1 приводится используемое сочетание значений параметров магнитного поля: Н - напряженность магнитного поля в центре между полюсами электромагнита, Н* - напряженность магнитного поля и ΔHx/Az - градиент напряженности.
В сильном и неоднородном магнитном поле столбик МЖ принимает форму, близкую к цилиндрической. При этом расстояние между основаниями цилиндра в проводимом эксперименте составляет 115 мм.
Необходимое условие вещественности результатов измерений колебаний свободной плоской поверхности 15, столбика магнитной жидкости 5, заключается в выполнении неравенства, в котором λ - длина вязкой волны. (см., Ландау Л.Д., Теоретическая физика. Гидродинамика - М.: Наука, 1998 - Т. 6.736 с. ил Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Гидродинамика. - М.: Наука, 1988. Т. 6. 736 с). При выполнении эксперименте в области изменяющего магнитного поля за верхнюю границу частотного диапазона можно принять 15,5 Гц. Тогда 4,7 мм, что при длине окружности используемой трубки 37.7 мм, позволяет считать вышеупомянутое условие выполненным. Вместе с тем «глубина проникновения вязкой волны» - составляет ~ 0.75 мм, поэтому в гидродинамическом потоке находится только тонкий пристеночный слой жидкости.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что контроль физико-механических свойств магнитной жидкости, включающий построение намагниченности насыщения магнитной жидкости, осуществляется за счет как удержания ее в состоянии магнитной левитации, путем воздействия изменяющегося магнитного поля; так и под действием статического (гидравлического) давления в насыщенном магнитном поле, при соединении прозрачной трубки, содержащей магнитную жидкость, с U-образной трубкой, заполненной дистиллированной водой и вследствие последующего соединения выхода прозрачной трубки с индикатором вибрации в виде катушки индуктивности. Измерения физических величин происходит в диапазоне напряженности магнитного поля от 100 kA/м до 900 kА/м с шагом 50 kА/м.