ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ВЕЩЕСТВА
ELECTROMAGNETIC DEVICE FOR DETERMINING MAGNETIC SENSITIVITY OF SUBSTANCE

Изобретение относится к устройствам для магнитных измерений и может быть использовано в тех отраслях промышленности (горнообогатительной, энергетической, машиностроительной, стекольной, керамической и др.), где осуществляются процессы магнитного разделения -для определения магнитной восприимчивости разделяемых веществ, что необходимо при решении задач, связанных с созданием эффективной технологии магнитного разделения.
Из уровня техники [патент RU 2098807 С1, дата публикации: 10.12.1997] известно электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости магнитной жидкости. Оно содержит электромагнит с полюсными наконечниками в виде усеченных конусов, между которыми находится поверхность исследуемой магнитной жидкости, а для получения необходимой информации о создаваемом магнитном поле используется, в частности, датчик Холла. Устройство, как это оговорено в самом названии патента, имеет специфичное назначение: исключительно для определения магнитной восприимчивости лишь магнитной жидкости (суспензии). Оно не применимо для других сред, в частности, порошковых образцов (зачастую малообъемных), нуждающихся в соответствующей диагностике для получения данных об их магнитной восприимчивости.
Также известны электромагнитные устройства для определения магнитной восприимчивости малообъемных образцов по методу Фарадея [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]. Они состоят из катушек намагничивания, магнитопровода с полюсными наконечниками той или иной формы, между которыми создается градиентное магнитное поле (характеристика поля находится посредством, например, измерений напряженности). Между полюсными наконечниками размещается малообъемный образец. Для определения магнитной восприимчивости χ образца измеряется действующая на него магнитная (пондеромоторная) сила F (в устройствах-аналогах применяются обычно рычажные весы) и используется одна из эквивалентных формул:
где μо - магнитная константа, V - объем образца, Н и В - соответственно напряженность и индукция магнитного поля в зоне нахождения образца, причем эта формула приводится также во многих других источниках, в том числе в документе [патент RU 2543671 С2, дата публикации: 10.03.2015].
Указанные устройства обладают недостатками, связанными с отсутствием информации как о наличии, так и местоположении зоны стабильности градиента поля, т.е. зоны, куда необходимо помещать изучаемый образец, что снижает точность измерений. Недостаточная точность и к тому же низкая оперативность выполнения измерений обусловлены также использованием рычажных весов, что приводит к смещению места позиционирования образца (под воздействием пондеромоторной силы) и вызывает необходимость в неоднократной балансировке.
Из материалов публикации [Сандуляк А.В. Магнитно-фильтрационная очистка жидкостей и газов. - М.: Химия, 1988. - 136 с; электронный ресурс: https://dlib. rsl. ru/viewer/01001440011#?page=1, с. 101] известно электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости малообъемных образцов, тоже основанное на методе Фарадея. Оно состоит из катушек намагничивания, магнитопровода с полюсными наконечниками в виде контактирующих друг с другом полусфер, между которыми создается градиентное магнитное поле (характеристика поля находится посредством, например, измерений напряженности или индукции). Между полусферами размещается малообъемный образец. Здесь тоже определению магнитной восприимчивости образца предшествуют измерения действующей на него пондеромоторной силы F (традиционно с помощью рычажных весов). Магнитную восприимчивость образца χ определяют, используя одну из указанных формул (1).
Указанное устройство обладает недостатком, обусловленным его ограниченными функциональными возможностями. Так, поскольку полюсные наконечники-полусферы контактируют друг с другом, межполюсная область является узкой, что создает сложности для размещения образца в определенной зоне межполюсной области (зоне стабильности градиента поля) и, как следствие, снижается точность измерений. Использование же рычажных весов, как уже оговорено выше, приводит к неизбежному смещению места позиционирования образца (под воздействием пондеромоторной силы), вызывая необходимость в неоднократной балансировке, что также обусловливает недостаточную точность и низкую оперативность выполнения измерений.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости малообъемных образцов [Сандуляк А.А. и др. Магнетометр Фарадея с полюсами сферической формы: ЗD-оценка рабочих зон / Приборы, 2017, №10, с. 4-7]. Оно состоит из катушек намагничивания, магнитопровода с полюсными наконечниками в виде разобщенных друг с другом полусфер, между которыми создается градиентное магнитное поле. Характеристика поля находится экспериментально посредством, например, измерений индукции В (в частности, датчиком Холла), после чего расчетом находится также характеристика градиента gradS. Будучи экстремальной (с легко определяемым местоположением экстремума), она свидетельствует о наличии и местоположении зоны практической стабильности градиента - в окрестности экстремума. В эту зону помещается малообъемный изучаемый образец: измерения действующей на него пондеромоторной силы F дают возможность определять магнитную восприимчивость образца χ сиспользованием указанной выше формулы (1).
В этом устройстве (прототипе), в отличие от предыдущего устройства-аналога, из-за разобщенности полюсных наконечников-полусфер есть возможность создать необходимую межполюсную область, позволяющую устанавливать образец, причем таким размером, который соответствует размеру и местоположению рабочей зоны стабильности градиента и тем самым устранить отмеченный выше недостаток. Вместе с тем, при использовании полюсных наконечников-полусфер, в том числе дистанционно расположенных, возникают дополнительные сложности (а вместе с ними погрешности) - в реализации точного позиционирования (в частности, в обеспечении точного начального положения), прежде всего, измерительного датчика. Это отрицательно сказывается на точности получения необходимых координатных характеристик поля, а значит - на точности определения рабочей зоны стабильного градиента (для размещения изучаемого образца) и, как следствие, на достоверности результата определения восприимчивости. А даже при точном определении рабочей зоны столь же важной является реализация точного позиционирования образца, причем стационарного (исключающего его перемещения во время действия пондеромоторной силы).
Технический результат, который достигается в настоящем изобретении, заключается в повышении точности измерения позиционирования образца.
Указанный технический результат достигается тем, что электромагнитное устройство для определения магнитной восприимчивости образцов, включающее полюсные наконечники в виде полусфер для создания градиентного магнитного поля, передвижной датчик для измерения напряженности или индукции поля в межполюсной области, весы для измерения пондеромоторной силы, действующей на изучаемый образец, характеризуется тем, что оно дополнительно снабжено оптико-механической системой позиционирования измерительного датчика и образца в межполюсной области, при этом в качестве указанных весов для измерения пондеромоторной силы используются электронные весы на пьезоэлементах для исключения перемещения образца во время действия этой силы.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения оптико-механическая система позиционирования состоит из смещаемого в двух направлениях лазерного модуля с крестообразным лучом для начального позиционирования датчика и Web-камеры, подключенной к компьютеру, со взаимно перпендикулярными шкалами (координатами) для начального и контрольного позиционирования датчика и образца, а также координатного средства, представляющего собой трехкоординатный столик, жестко связанный с датчиком, для обеспечения начального позиционирования датчика и его перемещения в межполюсной области.
На фиг. 1 показана функциональная схема предложенного в настоящем изобретении устройства. Оно содержит катушки намагничивания 1, магнитопровод 2 с полюсными наконечниками-полусферами 3, щуп с датчиком (например, датчик Холла) 4 для измерения индукции поля (жестко связанный с трехкоординатным столиком 5), лазерный модуль 6 с крестообразным лазерным лучом, направляемым на исходную точку позиционирования датчика (в его начальном положении, например, в центре симметрии межполюсной области), Web-камер 7 и 8 (подключены к компьютеру) со взаимно перпендикулярными шкалами. Действие на изучаемый образец 9 пондеромоторной силы измеряется электронными весами 10 на пьезоэлементах.
Устройство работает следующим образом. С помощью координатного столика 5 датчик Холла 4 помещают в начальное положение (например, в центр симметрии межполюсной области или в определенную точку на межцентровой линии полюсных наконечников-полусфер 3), совмещая для этого датчик 4 с заведомо установленной (в центре симметрии межполюсной области или в любой другой определенной точке) точкой пересечения крестообразного лазерного луча, исходящего из лазерного модуля 6. Тем самым производят первое (прицельное) позиционирование датчика 4, после чего, используя Web-камеры 7 и 8, с помощью шкал (взаимно перпендикулярных), демонстрируемых на компьютере, при помощи координатного столика 5 производят второе (уточненное, контрольное) позиционирование датчика 4. Затем при помощи того же координатного столика 5 осуществляют перемещение датчика 4 в межполюсной области, например, в одном из направлений возможного позиционирования изучаемого образца Р. Вследствие этого получают координатную зависимость индукции В. Ее дифференцирование дает экстремальную (в случае использования наконечников-полусфер 3) кривую, где зона в окрестности экстремума (координаты которого определяются непосредственно из графика или соответствующим расчетом, как это оговорено в устройстве-прототипе) свидетельствует о наличии рабочей зоны (с практически стабильным градиентом), и размерах этой зоны (для размещения образца), а также о значениях gradi?. Затем, принимая во внимание найденную координату экстремума, в соответствующую точку помещают исследуемый образец Р. Уточненное позиционирование образца 9 осуществляется при помощи Web-камер 7 и 8, подключенных к компьютеру и позволяющих визуализировать позиционирование. Электронными весами 10 (посредством соответствующих, иллюстрируемых на фиг. 1, средств) производят измерение пондеромоторной силы F - для определения по формуле (1) магнитной восприимчивости образца χ. При этом, благодаря использованию электронных весов 10, работа которых основана на проявлении пьезоэффекта (в отличие от традиционно применяемых рычажных весов), перемещение элементов весов и нежелательное перемещение изучаемого образца при измерениях не происходит.