УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ И ДИАГНОСТИКИ ЗОНЫ СТАБИЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
DEVICE FOR CREATION AND DIAGNOSTICS OF STABLE MAGNETIC FIELD NON-UNIFORMITY ZONE

Изобретение относится к устройствам для целенаправленного создания неоднородного, инструментально контролируемого, магнитного поля, соответствующие характеристики которого, в частности, координатные характеристики таких параметров как напряженность и/или индукция поля, его градиент, дают возможность использования отдельных зон поля, имеющих выраженные признаки, например стабильности градиента, для практических и научных целей.
Известно устройство [патент RU 2098807 С1, дата публикации: 10.12.1997], содержащее электромагнит с полюсными наконечниками в виде усеченных конусов, между которыми создается магнитное поле, причем для получения информации о поле между ними (данных магнитной индукции) используется датчик Холла. В этом устройстве, хотя и специально не указывается, но становится очевидным возможность получения координатной характеристики измеряемого параметра, в данном случае характеристики магнитной индукции - в зависимости от текущей координаты местоположения датчика, перемещаемого по определенному направлению в межполюсной области.
Однако устройство имеет ограниченные функциональные возможности: в нем, кроме отсутствия указания на получение такой характеристики, не оговаривается необходимость дополнительного получения координатной характеристики градиента индукции (по которой можно было бы судить как о текущих значениях градиента, так и о наличии или отсутствии зоны практически стабильного градиента), что необходимо для его возможного использования при решении ряда практических и научных задач.
Известны устройства [Чечерников В.И. Магнитные измерения / Учебное пособие. - М.: МГУ, 1963. - 286 с.; Деркач В.И. Специальные методы обогащения полезных ископаемых / Учебное пособие. - М.: Недра, 1966. - 338 с.; Козин П.Е., Кульбакин И.В. Методы исследования магнитных свойств материалов / Методическая разработка. - М.: МГУ, 2011. - 34 с.], состоящие из обмотки намагничивания, магнитопровода с полюсными наконечниками той или иной формы, между которыми создается неоднородное магнитное поле. В межполюсной области этих устройств (предназначенных для реализации метода Фарадея по определению магнитной восприимчивости малообъемных образцов) предусматриваются измерения напряженности поля Н и/или индукции В. При этом такие данные должны служить получению соответствующих координатных зависимостей этих параметров, а на их основе - координатных зависимостей градиента: gradH и/или gradB (что необходимо для вычисления магнитной восприимчивости по базовым формулам, приведенным в указанных и других источниках, например [патент RU 2543671 С2, дата публикации: 10.03.2015], с использованием измеряемых данных пондеромоторной силы).
Однако для этих устройств, несмотря на существующее требование к ним, которое заключается в необходимости обеспечить стабильность градиента (в месте расположения образца), обоснования конкретных решений для выполнения этого требования не приводятся. Так, рекомендации в отношении формы наконечников не подкрепляются не только соответствующими координатными характеристиками градиента gradH и/или gradB, но и предшествующими им координатными характеристиками напряженности поля Н и/или индукции В. Отсутствие же координатных характеристик градиента, как носителей информации о наличии или отсутствии зоны стабильного (практически стабильного) градиента, снижает функциональные возможности указанных устройств.
extr
Известны устройства [Сандуляк А.В. Магнитно-фильтрационная очистка жидкостей и газов. - М.: Химия, 1988. - 133 с. (интернет-ресурс: https://dlib.ru/viewer/01001440011#?page=136); Сандуляк А.А. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы, 2017, №10, с. 4-7], состоящие из обмотки намагничивания, магнитопровода с полюсными наконечниками сферической формы, между которыми создается неоднородное магнитное поле. В межполюсной области этих устройств (тоже предназначенных для реализации метода Фарадея по определению магнитной восприимчивости малообъемных образцов) предусматривается измерение напряженности поля Н и/или индукции В - с получением соответствующих координатных зависимостей этих параметров, а на их основе - координатных зависимостей градиента: gradH и/или gradB (что, как и ранее, необходимо для вычисления магнитной восприимчивости по базовым формулам с использованием измеряемых данных пондеромоторной силы). К тому же, рекомендация о сферической форме наконечников подкрепляется соответствующими координатными характеристиками градиента, которые являются приемлемо экстремальными, т.е. свидетельствуют о самом факте существования зоны практически стабильного градиента (в окрестности экстремума, координата x которого, исчисляемая от оси полюсных наконечников, определяется непосредственно из координатной характеристики градиента).
Однако для этих устройств, а именно с полюсными наконечниками сферической формы, нет обоснования размеров этих зон - с соответствующими четкими ограничениями, которые бы указывали на границы зон практически стабильного градиента (в пределах которых отличия текущих показателей градиента от среднего показателя не превышают специально оговариваемых допустимых значений), что снижает функциональные возможности данных устройств.
extr
Такой же недостаток, снижающий функциональные возможности устройства, присущ и устройству-прототипу [патент RU 2680863 С1, дата публикации: 28.02.2019], принадлежащему к описанному выше виду устройств, диагностика которых в достаточно полном объеме изложена в упомянутой ранее публикации [Сандуляк А.А. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы, 2017, №10, с. 4-7]. Это устройство состоит из обмотки намагничивания и магнитопровода, имеющего противостоящие, взаимно удаленные друг от друга на расстояние b, полюсные наконечники с внешними цилиндрическими поверхностями диаметром D и торцевыми сферическими поверхностями того же диаметра (между которыми создается неоднородное магнитное поле), перемещаемого датчика магнитной индукции (датчика Холла - для получения координатной характеристики индукции и на ее основе экстремальной координатной характеристики градиента, а также для установления отстоящей от осевой линии наконечников радиальной координаты экстремума x, в окрестности которого показатели градиента наиболее приближены к стабильным).
extr
Кроме того, к недостаткам устройства-прототипа относится и то, что обмотка выполнена диаметром, превышающим диаметр D полюсных наконечников, из-за чего часть магнитного потока (генерируемого периферийными, т.е. превышающими D, витками обмотки) проходит вне полюсных наконечников, вынужденно замыкаясь по пассивным внешним локальным контурам (огибая периферийные витки обмотки, по сути - рассеиваясь в окружающую среду), что также снижает функциональные возможности, экономичность и эффективность устройства. К тому же, при сложившейся практике отсчета такого из ключевых параметров зоны стабильности градиента как координата экстремума x характеристики градиента (т.е. координата центра зоны практически стабильного градиента), а именно отсчета от осевой линии полюсных наконечников (см., например, упомянутую выше публикацию [Сандуляк А.А. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: 3D-оценка рабочих зон / Приборы, 2017, №10, с. 4-7]), требуется обязательная идентификация этой линии и, в частности, ее середины (как центра симметрии области между полюсами принятой сферической формы). Для этого необходимо применять дополнительно специальные средства, например, специально используемую в устройстве-прототипе оптико-механическую систему, что усложняет устройство и снижает оперативность операций по настройке устройства, подготовке и выполнению с его помощью необходимых научно-прикладных исследований. Поэтому альтернативно такой практике для отсчета (и фиксирования) других ключевых параметров зоны стабильности градиента, в частности, внешней и внутренней границ этой лимитированной зоны, предпочтительно использовать более оперативные решения.
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении функциональных возможностей устройства, его экономичности, эффективности и оперативности операций по настройке устройства, подготовке и выполнению с его помощью необходимых научно-прикладных исследований.
extr
внут
внеш
внут
extr
внеш
extr
внут
extr
внеш
extr
Этот результат достигается тем, что в устройстве, предназначенном для создания и диагностики зоны стабильной неоднородности магнитного поля, содержится обмотка намагничивания и магнитопровод, имеющий противостоящие, взаимно удаленные друг от друга на расстояние b, полюсные наконечники с внешними цилиндрическими поверхностями диаметром D и торцевыми сферическими поверхностями того же диаметра, между которыми создается неоднородное магнитное поле, перемещаемый датчик магнитной индукции (например, датчик Холла) для получения ее координатной характеристики и экстремальной координатной характеристики градиента, а также отстоящей от осевой линии полюсных наконечников радиальной координаты экстремума x, в окрестности которого показатели градиента практически стабильны (наиболее близки к значениям градиента в экстремуме). При этом предлагаемое устройство, в котором обмотка намагничивания выполнена диаметром, не превышающим диаметр полюсных наконечников, снабжено располагающимися в межполюсной области ограничителями, лимитирующими зону практически стабильного градиента - с идентификацией ее внутренней х и внешней х радиальных границ, отстоящих от осевой линии полюсных наконечников соответственно на удалении х=x-Δх/2 и х=x+Δх/2, где Δх - размер зоны практически стабильного градиента, а именно размер, в пределах которого отличия текущих показателей градиента от среднего показателя не превышают принимаемых (специально оговариваемых) допустимых значений. В случае же предпочтительного (как более оперативного) позиционирования ограничителей относительно образующей внешней цилиндрической поверхности полюсных наконечников указанные границы отстоят от этой образующей соответственно на удалении Х=(D/2)-x+(Δх/2) и Х=(D/2)-x-(Δх/2).
extr
Указанные геометрические параметры рабочей зоны устройства, в числе которых координата x центра зоны практически стабильного градиента (соответствует координате экстремума характеристики градиента) и размер Δх этой зоны, по меньшей мере в диапазоне относительных значений взаимного удаления полюсных наконечников b/D=0,035…0,153 устанавливаются в соответствии с условиями (их обоснования приведены ниже):
extr
причем значения коэффициентов k и р таковы: k=0,44, а р принимает индивидуальные значения в зависимости от задаваемого требования к ограничению отличия текущих показателей градиента от среднего показателя в пределах размера зоны Δх. Так, р=0,25 - когда эти отличия не должны превышать обычно допускаемого на практике значения, например 5%, и р=0,2 - когда эти отличия не должны превышать более жесткого допускаемого значения, например 3%. Об этих условиях свидетельствуют соответствующие координатные зависимости градиента gradB=dBldx (экстремальные, с координатой экстремума x), получаемые на основании специально определяемых экспериментальной диагностикой координатных зависимостей индукции В (в частности, по мере перемещения х от осевой линии полюсных наконечников в радиальном направлении плоскости симметрии мажполюсной области при разных значениях расстояния b между полюсными наконечниками диаметром D).
extr
внут
внеш
внут
extr
внеш
extr
extr
внут
extr
внеш
extr
На фиг. 1 показана схема предложенного устройства. Оно содержит обмотку намагничивания 1 с ограниченным внешним диаметром, магнитопровод 2 с цилиндрическими полюсными наконечниками 3 диаметром D, торцевые поверхности которых, выполненные сферической формы того же диаметра, удалены друг от друга на расстояние b, датчик магнитной индукции (Холла) 4, перемещаемый, например, от точки симметрии О межполюсной области в радиальном направлении плоскости симметрии этой области с помощью координатного столика для получения сначала координатной характеристики индукции, а на ее основе - координатной характеристики градиента, по которой определяются координата ее экстремума x, т.е. координата центра зоны практически стабильного градиента, и получения значений градиента, особенно в окрестности экстремума, по которым устанавливается размер зоны практически стабильного градиента Δх (исходя из допускаемого изменения градиента: в пределах, например, до 5% или до 3% от среднего). Пространственную фиксацию внутренней х и внешней х границ этой зоны (круговой) практически стабильного градиента, отстоящих от осевой линии цилиндрических полюсных наконечников 3 соответственно на удалении х-x-Δх/2 и х=x+Δх/2, идентифицированных по установленным значениям x и Δх (для тех или иных значений D и b), выполняют ограничители 5. Они препятствуют выходу за пределы зоны практически стабильного градиента при решении в предлагаемом устройстве различных научных и прикладных задач в таком, создаваемом им, специфичном поле. Более же предпочтительно (для оперативности) позиционировать ограничители относительно образующей внешней цилиндрической поверхности цилиндрических полюсных наконечников 3: тогда указанные границы отстоят от этой образующей соответственно на удалении Х=(D/2)-x+(Δх/2) и Х=(D/2)-x-(Δх/2). При этом то, отмеченное выше решение, что обмотка намагничивания 1 выполнена диаметром, не превышающим диаметр цилиндрических полюсных наконечников 3, позволяет избежать прохождения части магнитного потока (если бы диаметр обмотки превышал D - как в прототипе) вне цилиндрических полюсных наконечников 3 и исключить появление пассивных внешних контуров и тем самым - рассеивание потока в окружающую среду.
extr
внут
внеш
При работе устройства, обеспечивающего создание зоны практически стабильного градиента (для решения научных и прикладных задач с использованием поля именно стабильного градиента) определение координаты центра x и размера Δх этой зоны, а следовательно, и ее границы (внутренней х и внешней х) в межполюсной области предлагаемого устройства, осуществляется следующим, демонстрируемом на конкретном примере, образом. Для соответствующей аргументации использовался опытный образец предлагаемого устройства (фиг. 1), в магнитопроводе 2 которого цилиндрические полюсные наконечники 3 (с торцевыми поверхностями сферической формы) имели диаметр D=100 мм, расстояние между ними изменяли в диапазоне b=3,5…15,3 мм, а намагничивающую силу Iω (I и ω - соответственно величина тока питания обмотки намагничивания 1 и число ее витков) в диапазоне Iω=3000…22500 А.
Благодаря указанной форме цилиндрических полюсных наконечников 3 (фиг. 1) координатная характеристика индукции В, т.е. характеристика параметра В по направлению х, где х исходит из центральной точки О (симметрии) межполюсной области (а такую характеристику можно диагностировать, например, при пошаговом перемещении датчика Холла 4 миллитесламетра с помощью координатного столика - на фиг. 1 не показан), является извилистой: имеет примечательный перегиб.
extr
extr
На фиг. 2а иллюстрируется наличие перегибов на координатных характеристиках В применительно к одному из вариантов взаимного дистанцирования b (b=13 мм) цилиндрических полюсных наконечников 3. Тогда при таком, т.е. извилистом, тренде каждой из координатных характеристик индукции В (зависимости В от х, которая хорошо аппроксимируется полиномом четвертой степени), ее производная, т.е. , приобретает ожидаемый экстремальный вид, что иллюстрирует фиг. 2б. А это свидетельствует о наличии зоны определенной стабильности градиента gradB - в окрестности экстремума. По используемому для аппроксимации полиному в программе или аналитически находится координата экстремума х=x - центра искомой зоны стабильности. В частности, для данных градиента gradB, показанных на фиг. 2б (т.е. при b=13 мм), координата экстремума x (т.е. центра стабильности параметра gradB) составляет , причем практически независимо от намагничивающей силы Iω обмотки намагничивания 1 в принятом диапазоне Iω.
extr
extr
extr
Таким же путем находятся значения x при других значениях b, что позволяет в указанном выше диапазоне b получить графическую зависимость координаты x центра стабильности градиента от расстояния b между цилиндрическими полюсными наконечниками 3 (см. фиг. 1), а в обобщенном виде - зависимость x/D от b/D, которая иллюстрируется на фиг. 3а. Эта зависимость достаточно хорошо квазилинеаризуется в логарифмических координатах (фиг. 3б), указывая тем самым на возможность получения принципиального конструктивного условия (с использованием этого условия при настройке устройства и выполнении соответствующих исследований) - в виде выражения степенного типа с показателем степени, близким к 0,5:
extr
0,5
(x/D)=k⋅(b/D)
extr
при значении коэффициента k=0,44, или того же выражения для непосредственного определения координаты x центра стабильности градиента - когда диаметр D цилиндрических полюсных наконечников 3 и расстояние b между ними (см. фиг. 1) уже выбраны, т.е. условия типа:
extr
0,5
x=k⋅D⋅(b/D).
Иллюстрируемые на фиг. 2а и фиг. 2б зависимости, а также подобные им зависимости, последовавшие из аналогичной экспериментальной диагностики при иных указанных значениях b, позволяют установить протяженность (собственный размер Δх) зон в окрестности экстремума градиента, где их допустимо (с тем или иным ограничением погрешности) считать зонами стабильности градиента - на фиг. 2б такая зона условно затемнена.
extr
extr
extr
extr
+
Для этого удобным вначале показателем, который затем позволил бы вполне определенно судить о погрешности такого допущения, может служить относительное различие между текущим (по координате х) значением градиента и его значением в экстремуме (заранее известным и потому здесь пока контрольным). Это - соответствующая безразмерная величина: Е=[gradB-(gradB)]/(gradB). Значения E определялись с использованием из соответствующих координатных экстремальных характеристик (частично представленных на фиг. 2б) фиксированных данных (gradB), а также текущих данных gradB, считываемых при пошаговом смещении, стартуя здесь от экстремума. При этом в искомой, прилегающей к экстремуму зоне практической стабильности градиента (фиг. 2б) имеет смысл выбрать для количественной оценки показателя Е одну из двух ее полузон. Поскольку же они не строго симметричны, предпочтительно смещаться в левую от координаты экстремума полузону, т.е. противоположно направлению оси х: на фиг. 2б направление смещения показано стрелкой внизу, соответствующая величина смещения (от координаты экстремума x) обозначена как . Выбор именно такого направления смещения (влево) оправдан ввиду более крутого здесь тренда зависимостей gradB от х; формальное же зеркальное смещение вправо (т.е. по направлению оси х на фиг. 2б, в сторону подобного, но несколько менее крутого тренда зависимостей gradB от х, где величина смещения обозначается как х) при  заведомо приводит к результату, который будет тем более удовлетворять устанавливаемым ограничениям.
extr
При оправданно выбранном здесь смещении влево использование, например, показанных на фиг. 2б данных градиента для этого частного случая, когда в уже установленной координате экстремума  при соответствующем значении градиента (gradB) (для определенного значения Iω) выявляет следующее. При попытке расширить зону практической стабильности градиента (за счет увеличения значения , где величина Δх соответствует размеру предполагаемой зоны) введенный выше показатель Е возрастает (фиг. 4), причем практически независимо от Iω. В частности, для рассматриваемого случая он достигает значения  при , размер же предполагаемой зоны составляет в этом случае  (отражено на фиг. 4 дополнительной осью абсцисс Δх).
extr
Теперь уже, когда по критерию Е (в частности, ) установлен тот или иной размер соответствующей полузоны х (см. фиг. 4), можно зафиксировать значение градиента на ее границе (gradB)z, а затем найти среднее для полузоны значение градиента - как . Тогда появляются все основания для того, чтобы отклонения текущих значений градиента оценивать по отношению к среднему значению , т.е. перейти от первоначального показателя Е, благодаря которому удалось количественно судить о конкретных размерах зон в окрестности экстремума, к характерному показателю , более объективно отражающему погрешность отождествления фактической зоны с зоной стабильности. Этот показатель составляет практически половину принятого выше показателя Е, т.е.  (отражено на фиг. 4 дополнительной осью ординат ε). Значит, обращаясь к уже упомянутому примеру (фиг. 2б), можно несколько перефразировать сказанное выше: с погрешностью  зоной практически стабильного градиента поля, создаваемого между рассматриваемыми цилиндрическими полюсными наконечниками 3 (см. фиг. 1), является здесь зона (в окрестности его экстремума, приходящегося на оговоренную выше координату х=x=16 мм) размером .
extr
Если же ужесточить условие, согласно которому зону в окрестности экстремума градиента gradB следует считать практически стабильной, величиной , то, используя данные фиг. 4 и фиг. 2б, когда для рассматриваемого случая при том же значении х=x=16 мм, но изменившихся значениях (gradB)z и , таковой является несколько суженная зона размером .
Использование такого же подхода для данных, подобных представленным на фиг. 2б, но получаемых при других расстояниях b между теми же цилиндрическими полюсными наконечниками 3 (см. фиг. 1), приводит к соответствующим результатам, показанным на фиг. 5а в виде обобщенных графических зависимостей Δx/D от b/D при гарантии обеспечения зон стабильности градиента: с отличием от соответствующих усредненных значений градиента (в пределах этих зон) порядка  (линия 1) и  (линия 2). Если данные, показанные на фиг. 5а, представить в логарифмических координатах, то обнаруженный факт их квазилинеаризации в таких координатах (фиг. 5б) указывает тем самым на возможность получения еще одного принципиального конструктивного условия (с использованием этого условия при настройке устройства и выполнении соответствующих исследований) - в виде степенного выражения с показателем степени, близким к 0,4:
0,4
(Δx/D)=p⋅(b/D),
или того же выражения для непосредственного определения размера Δх зоны стабильности градиента - когда диаметр D цилиндрических полюсных наконечников 3 и расстояние b между ними (см. фиг. 1) уже выбраны, т.е. условия типа:
0,4
Δх=p⋅D⋅(b/D),
причем коэффициент р принимает индивидуальные значения в зависимости от задаваемого требования к ограничению отличия текущих показателей градиента от среднего показателя в пределах размера зоны Δх. В частности, р=0,25 - когда эти отличия не должны превышать обычно допускаемого на практике значения, например 5%, и р=0,2 - когда эти отличия не должны превышать более жесткого допускаемого значения, например 3%.
extr
внут
внеш
внут
extr
внеш
extr
внут
extr
внеш
extr
По установленным значениям координаты центра x зоны практической стабильности градиента и размера Δх этой зоны идентифицируются внутренняя х и внешняя х радиальные границы зоны практически стабильного градиента (и фиксируются соответствующими ограничителями 5, препятствующими выходу за пределы зоны практически стабильного градиента при решении в предлагаемом устройстве различных научных и прикладных задач): они отстоят от осевой линии цилиндрических полюсных наконечников 3 (см. фиг. 1) соответственно на удалении х=x-Δх/2 и х=x+Δх/2. Более предпочтительным решением, не требующим специальных средств для идентификации осевой линии цилиндрических полюсных наконечников 3 (фиг. 1), является позиционирование ограничителей 5 относительно образующей внешней цилиндрической поверхности цилиндрических полюсных наконечников 3; в этом случае указанные границы отстоят от этой образующей (удобной для базирования с использованием любого из измерительных приборов линейных размеров) соответственно на удалении Х=(D/2)-x+(Δх/2) и Х=(D/2)-x-(Δх/2).