МЕТОД ИДЕНТИФИКАЦИИ РАБОЧЕЙ ЗОНЫ СТАБИЛЬНОСТИ МАГНИТНОЙ СИЛЫ В МАГНИТОМЕТРЕ КОНТРОЛЯ ВОСПРИИМЧИВОСТИ ЧАСТИЦ

Для решения актуальной задачи определения магнитной восприимчивости χ объектов малого объема (частиц) как задачи тонкой диагностики наиболее приемлемым принято считать пондеро-моторный метод (альтернативное название — весы Фарадея, Faraday balance) [1–6]. Также получает развитие магнитно-реологический метод [7, 8] (частично основывающийся на пондеромоторном принципе). При этом оба эти метода результативно реализованы в измерительной системе — магнитометре с намагничиваемыми полюсными наконечниками сферической формы.

В основе методики подобного рода эксперимента по установлению значения χ изучаемого объекта лежит выражение для пондеромоторной (магнитной) силы F :

F = ^о • X • V • H grad H, или

• X - V • B grad B F =-------------- ,

µ ₀

воздействующей на этот объект, размещенный между полюсными наконечниками, где χ и V — его магнитная восприимчивость и объем, Н и В — напряженность и индукция магнитного поля, HgradH, или BgradB, — магнитный силовой фак- тор, μ0 = 4π × 10–7 Гн/м — абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

В этой связи повышенный интерес представляет этап диагностики поля между полюсными наконечниками — с обязательной идентификацией строго определенной рабочей (исполнительной) зоны между полюсными наконечниками для выполнения исследований, зоны, которая должна характеризоваться сравнительно стабильными (вдоль установленного направления) значениями магнитного силового фактора H grad H , или B grad B . Стоит отметить, что данный этап диагностики долгое время оставался без обоснованной методики по его выполнению и требовал существенной проработки. Такая ситуация объяснялась отчасти сложностью достижения указанной стабильной неоднородности поля и продолжающейся дискуссией по поводу того, какая из магнитных характеристик поля здесь предпочтительнее — grad H (grad B ) или H grad H ( B grad B ) [6, 9–11].

Впоследствии в работах [12, 13] был предложен экспериментально-аналитический метод такой диагностики при применении полюсных наконечников сферической формы. Он заключается в экспериментальном пошаговом определении магнитной индукции В (или напряженности Н) вдоль заданного направления x между наконечниками, т.е. вдоль линии действия магнитной силы F, а затем в аналитической обработке полученной характеристики для вычисления текущих значений гради- ента gradВ и, как следствие, магнитного силового фактора ВgradВ. Целесообразность применения именно такой формы наконечников обусловлена отсутствием сложностей для выполнения условия достижения стабильной неоднородности поля в определенной зоне (именуемой рабочей, исполнительной, для выполнения в ней необходимых исследований).

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Хотя описанный выше подход достаточно обоснован и проработан, он все же не дает прямых данных об изменении магнитной силы F , характере ее изменения и тем самым прямых указаний на дислокацию исполнительной зоны между полюсными наконечниками, одновременно обладая заниженной оперативностью и повышенной трудоемкостью. Поэтому целью данного исследования было обнаружение исполнительной зоны, где магнитная сила относительно постоянна, посредством прямых измерений этой силы.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ АНАЛИЗ

Проводилась серия экспериментов по изучению изменения магнитной силы F , создаваемой в магнитометре пондеромоторного и/или магнитнореологического типа, при удалении от межцентрового расстояния полюсных наконечников в направлении x (рис. 1) по линии действия силы F . При этом отличительной особенностью данного метода является применение вместо измерительного средства с датчиком Холла (позволяющего учесть изменение величины индукции В ) измерительного средства с датчиком-феррозондом 1 в виде шара, изготовленного, например, из стали марки ШХ15, в качестве объекта, на который воздействует поле между полюсными наконечниками 2 (диаметром D ).

Как и в случае с применением экспериментально-аналитического метода диагностики, исследование проводилось при соблюдении следующих условий:

– строгое расположение датчика-феррозонда в плоскости симметрии полюсов-полусфер (рис. 1);

– перемещение с определенным мелким шагом (например, 1 мм);

– проведение измерений с учетом варьирования намагничивающей силы Iω установки ( I — сила тока в обмотке с числом витков ω ) и расстояния b между полюсами-полусферами.

Контроль магнитной силы F , действующей на датчик-феррозонд, производился на примере шаров диаметрами d = 4, 5.16 и 6 мм с пошаго-

Рис. 1. Схема проведения опыта по идентификации рабочей зоны (стабильности магнитной силы) в магнитометре.

1 — датчик-феррозонд измерительного средства; 2 — намагничиваемые полюса-полусферы диаметром D при их взаимном удалении на расстояние b; 3 — система контроля магнитной силы F вым их смещением между полюсами-полусферами диаметром D = 184 мм.

Проведены четыре серии экспериментов при разном расстоянии b между полюсами-полусферами (серия 1 — b = 19.5 мм; серия 2 — b = 21 мм; серия 3 — b = 24 мм; серия 4 — b = 28 мм). При выполнении каждой серии экспериментов намагничивающую силу Iω обмотки устанавливали (поочередно): 6000, 9000, 12000, 15000 А. Полученные результаты отображены в Приложении на рис. П1–П4 (перемещение феррозонда осуществлялось с шагом 1 мм).

Как показывают эксперименты (рис. П1–П4, верхние графики), по мере удаления x датчика-феррозонда каждая из получаемых зависимостей F от х сначала возрастает, а затем убывает, демонстрируя тем самым экстремальный характер — с координатой экстремума (максимума) x extr . Зона в окрестности экстремума зависимости F от x , где значения F практически постоянны, представляет собой искомую исполнительную зону магнитометра — ту зону, в которой целесообразно проводить в дальнейшем исследования магнитной восприимчивости объектов малого объема.

С ростом расстояния b между полюсными наконечниками, т.е. их взаимного удаления друг от друга, координата экстремума xextr несколько смещается вправо. Так, если при установленном расстоянии b = 19.5 мм экстремум приходился на xextr = 18…19 мм, то при b = 28 мм координата максимума составляет уже xextr = 23…24 мм. Данный факт зависимости xextr от b был отмечен также и в ранее проведенных исследованиях [14].

Проведенный анализ зависимостей F от x (Приложение, рис. П1–П4) позволил выявить еще одно очень важное, отмечавшееся ранее [12], обстоятельство. Так, при применении одного и того же датчика-феррозонда на определенном расстоянии b между полюсами-полусферами, но с изменением намагничивающей силы Iω в 2.5 раза (с 6000 до 15 000 А) значение экстремума неизменно. Это хорошо видно на рис. П1–П4 (на графиках F/F max ( x )), где в качестве ординаты теперь выступает параметр относительной магнитной силы F/F _max, получаемый как отношение текущего значения силы F к ее максимальной величине F max (в рамках определенного установленного в магнитометре значения Iω ). В таких координатах становится очевидным полное согласие зависимостей F от x вне связи с намагничивающей силой Iω (естественно, в рамках фактически используемого диаметра датчика при каждой серии опытов при том или ином расстоянии b ).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведены серии экспериментов по апробации нового метода идентификации рабочей (исполнительной) зоны в магнитометрах пондеромоторного и/или магнитно-реологического типов, в которой необходимо выполнять исследования по контролю магнитной восприимчивости χ объектов малых размеров (в том числе частиц). Преимуществом данного метода является возможность проведения прямых измерений магнитной силы F, по относительному постоянству которой в окрестности своего максимума (на определенном участке — по мере удаления x от межцентрового расстояния полюсных наконечников) можно судить о наличии искомой исполнительной зоны.

По итогу проведенных четырех серий экспериментов (при различном расстоянии b = 19.5–28 мм между полюсными наконечниками диаметром D = = 184 мм), в каждой из которых применялись феррозонды трех диаметров ( d = 4, 5.16 и 6 мм), воспринимающие действие магнитной силы при четырех величинах намагничивающей силы Iω обмотки магнитометра (6000, 9000, 12000, 15000 А), получены следующие результаты.

Во-первых, характер зависимостей магнитной силы F от расстояния х — экстремальный, позволяет сразу по итогу диагностики, т.е. без дополнительной аналитической обработки зависимостей, определять максимальное значение искомой величины и тем самым зону ее относительно стабильного значения. При этом такой вид полученных графиков свойственен для всех характеристик (48 в рамках данного исследования).

Во-вторых, отмечена особенность, характерная и для ранее апробированного метода-аналога по диагностике рабочей зоны, а именно некоторое незначительное смещение координаты экстремума x_extr с ростом расстояния b между полюсными наконечниками, т.е. их взаимного удаления друг от друга.

В-третьих, доказано, что в случае позиционирования датчика-феррозонда определенного диаметра d при определенном расстоянии b между наконечниками координата экстремума сохраняется неизменной — независимой от намагничивающей силы Iω обмотки магнитометра. Этот факт имеет практическую значимость для исследователя, позволяя упростить процесс определения рабочей (исполнительной) зоны, когда достаточно получить всего лишь одну характеристику распределения F от х при приемлемом значении Iω.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рис. П1. Координатные зависимости магнитной силы F (верхние графики), действующей на датчики-феррозонды различного диаметра d , и относительной магнитной силы F/F max (нижние графики) при различной намагничивающей силе Iω.

× — Iω = 6000 А; - — Iω = 9000А; □ — Iω = 12000 А; Δ — Iω = 15000 А;

а — d = 4 мм, б — d = 5.16 мм, в — d = 6 мм; расстояние между полюсными наконечниками-полусферами b = 19.5 мм

Рис. П2. То же, как на рис. П1, но при b = 21 мм.

Рис. П3. То же, как на рис. П1, но при b = 24 мм.

Рис. П4. То же, как на рис. П1, но при b = 28 мм.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках Госзадания в сфере науки (проект FSFZ-2024-0005).