Способ определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости. Способ определения диаметра частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости, включающий в себя этапы, на которых осуществляют измерения при различных значениях внешнего магнитного поля, при этом измеряют вязкое трение, а диаметр частиц и объемную долю твердой фазы магнитной жидкости рассчитывают путем нахождения минимума функционала где Н_i– значения напряженности магнитного поля, – значения вязкого трения, определенные экспериментально, – зависимость вязкого трения от параметров магнитной жидкости и напряженности магнитного поля; d –диаметр частиц, φ – объемная доля твёрдой фазы; α и β – числовые коэффициенты. Технический результат – сокращение времени измерений. 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения диаметра ферромагнитных частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости и найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств и параметров магнитной жидкости.

Для определения параметров магнитных жидкостей можно использовать результаты измерений зависимости силы вязкого трения от величины напряженности внешнего магнитного поля, при условии, что известно их теоретическое описание.

Известен гранулометрический способ определения размеров частиц магнитной жидкости [Бибин и др. Магнитоскопические свойства коллоидов магнетита. Магнитная гидродинамика, 1973, N 1, с.68-72], основанный на графической обработке экспериментальной кривой намагничивания исследуемого образца, измеренной при комнатной температуре и имеющей вид, характерный для супермагнетика.

Данный способ обладает следующими недостатками:

- не позволяет быстродействующего сканирования больших поверхностей;

- имеет большую погрешность метода;

- характеризуется высокой трудоемкостью;

Известен также способ определения размеров частиц магнитной жидкости по распространению через нее ультразвука при различных значениях внешнего магнитного поля [Виноградов А.Н. Определение параметров магнитной жидкости по распространению ультразвука. Магнитная гидродинамика, 1989, N 4, с.29-37]. Он заключается в определении размера частиц магнитной жидкости по поглощению и скорости распространения ультразвука в исследуемом объеме магнитной жидкости. Исследуемую жидкость помещают в герметическую акустическую камеру. Измеряют коэффициент поглощения и скорость распространения ультразвука при различных величинах индукции внешних магнитных полей. По экспериментальным данным определяют размер частиц.

Недостатками данного способа являются:

- малая разрешающая способность (определяются размеры не менее 100А);

- необходимость учитывать влияние параметров жидкости-носителя на результаты расчета параметров частиц.

За прототип принят СВЧ-способ [Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 12] определения размера ферромагнитных частиц магнитной жидкости, заключающийся в помещении исследуемого объекта в постоянное магнитное поле и воздействии на него электромагнитным излучением, изменении величины магнитного поля, измерении характеристик излучения после взаимодействия с магнитной жидкостью и определения по ним искомого параметра.

Данный способ обладает следующими недостатками:

- необходимостью применения сложного дорогостоящего оборудования и высококвалифицированного персонала;

- высокой длительностью измерений.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение возможности одновременного определения параметров магнитной жидкости: эффективного диаметра частиц d, а также объемной доли твердой фазы φ.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей; сокращение времени измерений при использовании простого и дешевого в изготовлении оборудования и оснастки.

Поставленная задача решается тем, что в способе определения параметров магнитной жидкости, заключающемся в помещении кюветы с тонким слоем магнитной жидкости в постоянное магнитное поле, на тонкий слой жидкости помещается пластина, на которую воздействует горизонтальная, тянущая вдоль слоя жидкости сила. Изменяя величину магнитного поля, измеряют временную характеристику прохождения пластины по тонкому слою магнитной жидкости и определяют по ней зависимость силы вязкого трения от значения напряженности внешнего магнитного поля, через которую вычисляют искомые параметры. Плавно изменяют напряженность магнитного поля, фиксируют значения напряженности, соответствующие времени прохождения пластиной пути по слою магнитной жидкости. Вычисляют зависимость силы вязкого трения от величины напряженности внешнего магнитного поля. Рассчитывают искомый размер частиц и объемную долю твердой фазы магнитной жидкости путем нахождения минимума функционала

,(1)

где Н_i - напряженности магнитного поля, соответствующие различным моментам времени прохождения пути l пластиной по слою магнитной жидкости; – зависимость, полученная экспериментально,

= QUOTE ;(2)

QUOTE , QUOTE – объемная доля твердой фазы магнитной жидкости, Ms - намагниченность насыщения частиц, V(d)- эффективный объем частиц, k – постоянная Больцмана, Т – температура, H – напряженность магнитного поля, QUOTE – магнитная постоянная, QUOTE – намагниченность насыщения, QUOTE –диаметр частиц, QUOTE – объемная доля твердой фазы магнитной жидкости, α и β – коэффициенты, значения которых определяются в ходе решения обратной задачи. Определяют QUOTE и QUOTE , соответствующие минимуму функционала.

Формула (2) получена путем введения коэффициентов α и β вместо числовых значений, полученных для магнитной жидкости определенного типа, в функционал [Шлиомис М.И. Магнитные жидкости.Успехи физических наук, 1974, Т.112, вып. 3, с.454, 5.29], угол между векторами скорости и вектором напряженности магнитного поля принят равным 90°.

Известных в науке и технике решений с данной совокупностью признаков не обнаружено. Результат, полученный для предложенного технического решения и обусловленный совокупностью этих признаков, не достигается в известных решениях.

Достоинством способа является возможность одновременного определения параметров магнитной жидкости с учетом особенностей взаимодействия магнитной жидкости с магнитным полем, без использования сложной и дорогостоящей аппаратуры.

На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, реализующего способ измерения размера и объемной доли твердой фазы ферромагнитных частиц магнитной жидкости;

на фиг.2 расчетная и экспериментальная зависимости величины силы вязкого трения в слое магнитной жидкости от значения напряженности внешнего магнитного поля.

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.

Источником магнитного поля служит электромагнит (ЭМ-1) 1, управляемый универсальным источником питания (УИП-1) 2. В поле помещается испытательная кювета 3 с тонким слоем магнитной жидкости и ПВХ-пластиной. Время прохождения пластиной пути l при различных значениях напряженности магнитного поля, генерируемого электромагнитном 1 измеряется автоматическим таймером 4,

5 - расчетная зависимость ( QUOTE ),
6 – зависимость, полученная экспериментально.

П р и м е р. Кювету размерами 130x18x20 мм с тонким слоем (1 мм) исследуемой магнитной жидкости на основе трансформаторного масла помещают в постоянное магнитное поле напряженностью 2000 Э. Через систему шарниров закрепляют груз к пластине, которую помещают в начало кюветы. Убирают заслонку, удерживающую груз, и измеряют время прохождения пластины пути l под действием силы тяжести на груз. Определяется скорость движения пластины. Определяется сила вязкого трения для данного значения напряженности магнитного поля по формуле

QUOTE QUOTE QUOTE ,

где QUOTE - сила трения, QUOTE - эффективная вязкость, QUOTE – площадь пластины,
QUOTE – скорость движения пластины, QUOTE – толщина слоя жидкости.

Силу вязкого трения можно, например, определять с помощью ротационного визкозиметра, например LamyRheologyRM 200, или ультра-звукового способа [Патент РФ № 2416089].

После этого величина магнитного поля увеличивается с шагом 2000 Э. Измерения прекращают по достижению величины напряженности в 12000 Э. По полученной экспериментальной зависимости силы вязкого трения от величины напряженности внешнего магнитного поля находят минимум функционала

и соответствующие ему значения эффективного диаметра и объемной доли твердой фазы частиц магнитной жидкости, а также значений коэффициентов α и β, соответствующих данному типу магнитной жидкости из условий:

В дальнейшем, при измерениях магнитной жидкости данного типа, определение коэффициентов α и β можно опустить.

Параметры магнитной жидкости (d=15nm, φ=0.1), определёнными в результате решения обратной задачи, хорошо совпадают с параметрами (d=14,6 nm, φ=0.107), определённые способом по прототипу [Журнал технической физики, 2001, том 71, вып. 12].

Время измерений составило: 40 c, для способа по прототипа – 15 мин .

Таким образом, предлагаемый способ позволяет производить экспресс-анализ диаметра частиц магнитной жидкости и объемной доли твердой фазы без использования сложного и дорогостоящего оборудования, что расширяет сферы применения данного способа.

Способ определения диаметра частиц и объемной доли твердой фазы магнитной жидкости, включающий измерения при различных значениях внешнего магнитного поля, отличающийся тем, что измеряют вязкое трение, а диаметр частиц и объемную долю твердой фазы магнитной жидкости рассчитывают путем нахождения минимума функционала

,

где Н_i – значения напряженности магнитного поля, – значения вязкого трения, определенные экспериментально, – зависимость вязкого трения от параметров магнитной жидкости и напряженности магнитного поля; d –диаметр частиц, ϕ – объемная доля твёрдой фазы; α и β – числовые коэффициенты.