Способ визуализации магнитного поля кольцевых постоянных магнитов и устройство для его осуществления.
METHOD FOR VISUALISING THE MAGNETIC FIELD OF ANNULAR PERMANENT MAGNETS AND APPARATUS FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к измерительной технике, в частности для контроля магнитных полей и определении рабочей области устройств магнитной левитации и сепарации и может найти применение в разных областях промышленности, включая высокотехнологичные, такие как 3D биопечать, управляемая самосборка и микрофлюидная сепарация.
Известен индикатор магнитного поля (см. патент РФ №2581451 МПК G01N 27/84, опубликованный 12.01.2015 Бюл. №11), представляющий собой контейнер, разделенный на три части двумя электродами, одна из боковых частей которого заполнена ферромагнитной суспензией, при помещении в магнитное поле между электродами возникает разность потенциалов, которая фиксируется милливольтметром.
Недостатком являются его размеры и невозможность получения требуемого для многих технических задач пространственного разрешения, а также невозможность измерения неоднородных магнитных полей, в которых градиент магнитного поля меняет свой знак.
Известен портативный сканер-дисплей магнитного поля (см. патент РФ №200521 МПК G01N 27/84, H01F 1/44, опубликованный 28.10.2020 Бюл. № 31), представляющий собой узкую длинную герметичную кювету, заполненную суспензией суперпарамагнитных наночастиц, образующей тонкий вертикальный слой, форма свободной поверхности которого отображает форму распределения магнитного поля вдоль длинной стороны кюветы. Перемещая кювету в различных направлениях, можно произвести трехмерное сканирование исследуемого поля.
Недостатком является невысокая точность, невозможность исследования пространственного расположения изолиний магнитного поля, а также невозможность длительной эксплуатации, так как в качестве чувствительного элемента используется магнитная суспензия, отличающаяся низкой коллоидной стабильностью.
Технической задачей предлагаемого изобретения является точное определение распределения напряженности высоконеоднородного магнитного поля с высоким пространственным разрешением.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для визуализации магнитного поля кольцевых постоянных магнитов осуществляется видеофиксации межфазной границы воздух-магнитная жидкость, которая заполняет зазор между двумя горизонтальными плоскими прозрачными пластинками, верхняя из которых имеет отверстие, система перемещается вверх-вниз, осуществляется послойное сканирование с компьютерной обработкой полученных изображений и последующим построением замкнутых изолиний модуля напряженности магнитного поля кольцевых постоянных магнитов, при этом в зависимости от параметров исследуемого магнита в качестве чувствительного элемента подбираются магнитные жидкости с различной концентрацией магнитной фазы.
На фиг. 1 схематично изображена идея способа визуализации магнитного поля кольцевых постоянных магнитов. На фиг. 2 - устройство для его осуществления. На фиг. 3 - результат сканирования изолиний модуля напряженности магнитного поля кольцевого постоянного магнита, совмещенный с результатами моделирования.
Основная идея способа заключается в следующем: в горизонтальную ячейку Хеле-Шоу, представляющую собой две оптически прозрачные пластинки, в отверстие, сделанное в середине верхней пластинки, вводится капля магнитной жидкости, которая удерживается неоднородным магнитным полем кольцевого магнита (фиг. 1). Перемещая ячейку с магнитной жидкостью можно обнаружить, что воздушная полость изменяется в размере. Таким образом, можно послойно сканировать всю область пониженного давления в плоскостях, параллельных плоскости магнита.
Устройство для осуществления способа визуализации магнитного поля кольцевых постоянных магнитов (фиг. 2) включает исследуемый постоянный кольцевой магнит(1), над которым расположена горизонтальная ячейка Хеле-Шоу (2), которая состоит из двух плоских прозрачных пластин из оргстекла (толщина верхней и нижней пластин 5 мм и 2 мм соответственно). Эти пластины соединены немагнитными винтами по углам; между пластинами расположены фторопластовые диски (фиг. 1), пластины стянуты немагнитными болтами с гайками. Зазор между пластинами равен 1 мм, в верхней пластине сделано отверстие (3), через которое внутрь залита магнитная жидкость (4). Ячейка с магнитной жидкостью перемещается с помощью прецизионной мехатронной системы (5) по оси z с регистрацией координаты вертикальных перемещений. В результате чего образуется воздушная полость (6), размер которой фиксируется с помощью камеры (7), изображения обрабатываются с помощью компьютера (8).
Устройство работает следующим образом: исследуемый магнит помещается в немагнитный держатель, ось магнита направлена вертикально, сверху до момента соприкасания с верхней гранью магнита опускается измерительная ячейка Хеле-Шоу. С помощью шприца через отверстие в верхней платине ячейки вводится чувствительный слой магнитной жидкости до достижения диаметром капли равному внешнему диаметру кольцевого магнита. Далее осуществляется подъем ячейки с шагом, необходимым для достижения требуемого пространственного разрешения. На определенной высоте от поверхности кольцевого магнита в центре капли магнитной жидкости образуется воздушная полость, размер которой фиксируется фотокамерой. Диаметр полости сначала увеличивается, потом уменьшается, повторяя конуры определенной изолинии модуля напряженности магнитного поля кольцевого магнита. После завершения сканирования объем капли магнитной жидкости увеличивается с помощью шприца для исследования контура следующей изолинии модуля напряженности магнитного поля. Для достижения оптимального результата сканирования для магнитов со значительной намагниченностью используются магнитные жидкости с высокой концентрацией магнитных наночастиц, для магнитов с малой намагниченностью - мало концентрированные магнитные жидкости.
Пример визуализации магнитного поля на основе предлагаемого способа представлен на фиг. 3. (см., например, Ryapolov P. A. et al. Study of the Working Area of a Ring Magnet Magnetic Levitation System Using a Thin Layer of Magnetic Fluid //IEEE Magnetics Letters. - 2020. - T. 11. - C. 1-5.) В качестве примера сканировался кольцевой магнит кольцевым магнитом (сплав NdFeB с внутренним и внешним диаметрами 24 мм и 60 мм соответственно и толщиной 10 мм). Результаты сканирования магнитного поля представлены на фиг. 3, где цветные экспериментальные точки и линии показывают положение межфазной границы воздух - магнитная жидкости для разной высоты положения щели относительно магнита. Данные получены для круглой капли размером 7,5-9,5 см. Серыми сплошными линиями показаны результаты моделирования магнитного поля кольцевого поля магнита.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что визуализация магнитного поля осуществляется с помощью магниточувствительного горизонтального слоя магнитной жидкости, залитого в ячейку Хеле-Шоу, в верхней пластине которой сделано отверстие, в результате воздействия магнитного поля кольцевого магнита на магнитную жидкость образуется воздушная полость, контур которой повторяет изолинию модуля напряженности магнитного поля, перемещая ячейку Хеле-Шоу с магнитной жидкостью вверх-вниз, фиксируя при этом размеры воздушной полости, можно получить положение конкретной изолинии модуля напряженности магнитного поля в пространстве, изменяя размер первоначальной капли магнитной жидкости можно получить трехмерную картину распределения изолиний модуля напряженности магнитного поля кольцевого магнита.