Пристрій для експресного вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів

Реферат: Пристрій для вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів містить силовимірювальний блок, зразок з порошком руди або іншого магнітного матеріалу та постійний магніт. Магніт нерухомо закріплено на силовимірювальному блоку, який дозволяє вимірювати силу взаємодії зразка з неоднорідним магнітним полем. Зразок руди або іншого магнітного матеріалу нерухомо зафіксовано над магнітом в зоні найбільшого градієнту магнітного поля за допомогою фіксатору зразка з немагнітного матеріалу. UA 94163 U (12) UA 94163 U UA 94163 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв для вимірювання магнітних властивостей зразків твердих матеріалів та руд, зокрема залізних, технологічних продуктів гірничо-збагачувальних підприємств чорної металургії, а саме до контролю вмісту магнетитового заліза у руді і продуктах її омагнічування та збагачення. Пристрій може бути використаний на виробництві, в наукових дослідженнях, у навчальних закладах та в польових умовах. Найдавніший опис вимірювання сили взаємодії зразків з магнітним полем описаний в книзі Гілберта, виданий в 1600 році [1]. На одну чашу пристрою кладеться магніт, а на іншу чашу такої ж ваги інша річ, так, щоб чаші знаходились в рівновазі. Потім, залізо, що лежить на дошці, влаштовують таким чином, щоб воно висіло на магніті, що знаходиться в чаші. На іншу чашу насипають пісок до тих пір, поки чаша, на якій лежить магніт не почне відділятися від заліза. Таким шляхом, зважуванням піску визначають магнітну силу. Використання ричажних ваг для визначення сили взаємодії зразку з магнітним полем описано і в інших джерелах та використовується до теперішнього часу. Відомий пристрій для вимірювання магнітних характеристик магнітних матеріалів [2], що містить електромагніт, ричажні ваги, ампулу, підвішену на нитці до коромисла ваг і спосіб градуювання цього пристрою, який включає вимірювання сили, що діє на зразок і побудова градуювальної кривої. Цей пристрій потребує складних форм наконечників електромагніту. До того ж, вимірювання сили, що діє на зразок, здійснюється ричажними вагами. Такі вимірювання можливі лише в лабораторії за наявності електричного струму. Відомий пондеромоторний пристрій для розбракування магнітних матеріалів [3], що містить підставку з немагнітного матеріалу для об'єкта контролю, постійний магніт та механічно з'єднаний з ним своїм силовим входом силовимірювальний датчик, який базується на використанні силовимірювального датчика, вихід якого підключений до мікропроцесорного блоку вимірювання та індикації сили взаємодії постійного магніту з об'єктом контролю. Однак, пристрій призначений для порівняння об'єкту контролю та еталонного зразка, тому не дозволяє визначати намагніченість. Відомий пристрій для неруйнівного контролю вмісту немагнітної фази в феромагнітних матеріалах [4], що містить постійний магніт, механічно з'єднаний з ним силовимірювальний датчик та мікропроцесорний блок вимірювання та індикації сили взаємодії постійного магніту з об'єктом контролю. Даний пристрій використовують для визначення немагнітної фази в феромагнітних матеріалах, для цього силовимірювальна схема пристрою тарується в абсолютних або відносних одиницях вмісту немагнітної фази та не дозволяє визначати намагніченість. Найближчим аналогом корисної моделі є пристрій для вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин [5], що включає електронні ваги, на чашу яких встановлено за допомогою підставки магнітну систему на відстані, що перевищує характерний розмір згасання її магнітного поля розсіяння, тобто виключає взаємодію магніту з вагами, що є необхідною умовою при зважуванні магніту з підставкою. Визначають сумарну вагу магнітної системи та підставки без зразка та сумарну вагу магнітної системи та підставки при наявності зразка, механічно не зв'язаного з магнітною системою і зафіксованого підставкою з немагнітного матеріалу. Магнітну сприйнятливість магнітних рідин оцінюють за різницею цих двох вагових вимірювань. Цей пристрій потребує обов'язкової підставки для магнітної системи, висотою, що перевищує характерний розмір загасання її магнітного поля розсіяння, що зв'язано з необхідністю проведення двох зважувань для оцінки магнітної сприйнятливості. При зважуванні зразка фактично вимірюється сила взаємодії зразка з магнітом, в той час, як при зважуванні без зразка ми фіксуємо силу взаємодії зразка з гравітаційним полем Землі. Крім того, тарувальні криві значень магнітної сприйнятливості дужечутливі до розмірів об'єктів вимірювань, що вносить певну невизначеність при визначенні магнітної сприйнятливості рідини для різних об'єктів. В запропонованому способі визначення магнітної сприйнятливості не приведені формули для розрахунку намагніченості або магнітної сприйнятливості в стандартних одиницях системи СІ. Крім того, необхідність під'єднання ваг до комп'ютера звужує можливість їх використання в різних умовах, або як переносного компактного пристрою для експрес-аналізу. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалення пристрою для експресного вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів, який можна використовувати автономно, а з використанням сучасної елементної бази зробити його портативним/кишеньковим, нечутливим до гравітації та послідовність приготування зразків для вимірювання сили взаємодії зразка з магнітним полем та розрахунку намагніченості в стандартних одиницях системи СІ. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів, що містить силовимірювальний блок, зразок з порошком руди або іншого 1 UA 94163 U 5 10 магнітного матеріалу та постійний магніт, згідно з корисною моделлю, магніт нерухомо закріплено на силовимірювальному блоку, який дозволяє вимірювати силу взаємодії зразка з неоднорідним магнітним полем, а зразок руди або іншого магнітного матеріалу нерухомо зафіксовано над магнітом в зоні найбільшого градієнту магнітного поля за допомогою фіксатору зразка з немагнітного матеріалу. Магніт закріплено на силовимірювальному блоці безпосередньо, без підставки і сила взаємодії зразка з гравітаційним полем та феромагнітними елементами силовимірювального приладу приймається за нуль, тобто, вимірюється лише сила взаємодії зразка з магнітним полем постійного магніту. Існує багато способів вимірювання магнітної сприятливості та намагніченості матеріалів, серед яких значне поширення мають способи, що базуються на вимірюванні сили F, з якою зразок взаємодіє з неоднорідним магнітним полем. Величина цієї сили визначається магнітними властивостями зразка та характеристиками зовнішнього магнітного поля згідно наступних відомих рівнянь [6, 7, 8, 9, 10, 11, 12]: 15 dH , dx (1) M  m  mH , (2) FM F  m dH dH ,  m H dx dx dF  H 20 25 30 35 dH dV , dx (3) (4) де M - магнітний момент зразка,  - питома (масова) намагніченість,  - питома (масова) магнітна сприйнятливість, m - маса зразка, H - напруженість магнітного поля, dH - градієнт dx магнітного поля,  - об ємна магнітна сприйнятливість, V - об'єм зразка. Для парамагнетиків і діамагнетиків величина  та  в звичайних умовах не залежить від величини магнітного поля H , а для феромагнетиків та феромагнетиків складним чином залежить від величини магнітного поля [13]. Таким чином, якщо визначити величину сили F та знаючи dH або H dH можна визначити dx dx  ,  або  . На практиці використовують два підходи для визначення цих величин - метод Фарадея та метод Гуї. В методі Фарадея зразок, що досліджується розмішують в ділянці максимального градієнту поля і розмір зразка вибирають мінімально можливим для виміру з метою мінімальної зміни градієнту поля по об'єму зразка. При цьому для розрахунків використовують рівняння (3, 4). На сьогоднішній день є різні модифікації методу Фарадея, які відрізняються лише способом вимірювання сили, що діє на зразок. Метод Фарадея більш придатний для визначення намагніченості сильномагнітних матеріалів. В методі Гуї найчастіше використовують зразок в вигляді довгого циліндра, один кінець якого розміщують в ділянці максимального поля, а інший - в ділянці, де поле практично дорівнює нулю. При цьому використовують рівняння: F 1 2 H S , 2 (5) 40 де S - площа поперечного перетину зразку. Якщо напруженістю поля біля зовнішнього кінця зразка не можна знехтувати (поле не дорівнює нулю), то потрібно користуватись повною (загальною) формулою: F   1 2  H1  H2 S , 2 2 (6) 2 UA 94163 U 5 де H1 и H2 - значення напруженості поля відповідно в точці І=0 та І=L (L - довжина зразка). Рівняння (6) є інтегральною формою диференціального рівняння (4) при dV  Sdx . Метод Гуї більш придатний для визначення намагнічуваності слабомагнітних матеріалів. В наведених вище рівняннях, нами не врахована магнітна сприйнятливість повітря, низька величина якої знаходиться за межами діапазону вимірювання пропонованого пристрою. Основне рівняння для визначення питомої (масової) намагніченості методом Фарадея запропонованим пристроєм:  F F ,  dH mK m dx (7) K dH F ,  dx m (8) 10 15 dH - величина градієнту магнітного поля в пропонованому пристрої завдяки статичному dx положенню зразка та магніта є постійна і є фактично постійним коефіцієнтом пристрою K при умові використання однакових об'ємів зразків. Для калібровки пристрою необхідно використовувати зразок з відомою питомою намагніченістю  , знайти dH за формулою (8) і визначити питому намагніченість зразка, що dx досліджується за формулою (7). Окремим випадком може бути використання зразків фіксованої маси m , при умові однакової насипної густини зразків. Тоді можна скористатись формулою (9) 20  F  FK , dH m dx де K  25 30 35 40 1   , dH F m dx (9) (1 0) Для калібровки пристрою необхідно використовувати зразок з відомою питомою намагніченістю  , знайти K за формулою (10) і визначити питому намагніченість зразка, що досліджується за формулою (9). В пристрої не застосовується зважування і тому величина сили тяжіння не впливає на вимірювання сили взаємодії зразка з магнітним полем. Тому пристрій може використовуватись в будь якому місці Землі на будь-якій висоті над рівнем моря, що робить його корисним при польових дослідженнях, включаючи гірську місцевість. Пристрій може бути використаний навіть в невагомості, на Місяці та інших планетах, наприклад Марсі. Корисна модель ілюструється наступними прикладами виготовлення робочого пристрою для визначення намагніченості руд та магнітних матеріалів. Приклад 1. На Фіг. 1 схематично показано конструкцію пристрою. Як силовимірювальний блок використовують ювелірні електронні ваги з дисплеєм з автономним живленням, з границею зважування до 300 г з відліком 0,01 г (1, Фіг. 1). Постійний магніт NdFeB (2, Фіг. 1) циліндричної форми діаметром 25 мм та висотою 7 мм, намагнічений вздовж осі циліндра нерухомо закріплено на платформі ваг. Фіксатор зразка (3, Фіг. 1), товщиною 1 мм, виготовлений з алюмінію, нерухомо закріплено на корпусі ваг на відстані 1 мм від магніту. Зразок розміщено на фіксаторі в ампулі (4, Фіг. 1) співвісно магніту. Пристрій має розмір 75 мм* 110 мм*25 мм. Магнітне поле в місті встановлення зразка, виміряне тесламетром, становить 0,3 Тл. Градієнт поля складає 25 Тл/м. Для градуювання та визначення постійної приладу ( dH ) dx приготували 3 зразки карбонільного нікелю (масою 0,025 г, 0,08 г та 0,120), що 3 UA 94163 U 5 10 використовується як стандартна речовина для калібровки магнітометрів з намагніченістю 54,4 2 А*м /кг. Вимір проводять наступним чином: покази включеного приладу без зразка обнуляють, зразок ставлять на пристрій для вимірювання сили та фіксують відносні покази на дисплеї і перераховують їх в одиниці сили ( H ). Магнітний момент зразків розраховують за формулою 2. Отримані результати показані на Фіг. 2. Тангенс кута нахилу цієї залежності дорівнює 25. Приклад 2. Для визначення намагніченості зразка магнетитової руди наважку руди, масою 0,2 г розміщено на фіксаторі пристрою та знаходять силу у відносних одиницях (40). Коефіцієнт K (формула 8) визначають, використовуючи як стандарт нікель. Його величина становила 2,5. Таким чином, намагніченість зразка збагаченої магнетитової руди дорівнює 40 A * м2 .  80 0,2 * 2,5 кг Приклад 3. Для визначення об'ємної магнітної сприйнятливості слабомагнітної залізної руди в циліндричну ампулу певного діаметру, тобто площі S зразка, насипають зразок фіксованої висоти (Фіг. 3). Для пристрою, наведеному в Прикладі 1, магнітне поле наближається до нуля на висоті біля 7 см. При такій висоті зразка використовують формула 5. При висоті зразка менше 7 см, використовують формула 6, при умові, що відоме магнітне поле на дні ампули та другому кінці зразка. Враховуючи, що точне визначення магнітних полів ускладнене, а насипна густина залізних руд різного походження відрізняється, точнішим способом знаходження об'ємної магнітної сприйнятливості є використання стандарту з відомою об'ємною магнітною  F сприйнятливістю та наступної формули   cm гр . Fcm Джерела інформації: 1. В. Гилберт. О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле. - М: изд. Академии Наук СССР. - 1956. - С. 155. 2. Патент України № 2876, МПК G01R 33/12, 26.12.1994, Бюл. № 5-І/1994, "Пристрій для вимірювання магнітних властивостей матеріалів і спосіб градуювання пристрою", А.В. Сандуляк, Н.В. Яцков, В.І. Геращенко, H.I. Шепель, В.В. Сандуляк. 3. Патент України № 81715, МПК G01N 33/20, G01N 27/72, G01R 33/12, 15.06.2006, "Пондеромоторний пристрій для розбракування феромагнітних матеріалів за структурним станом" К.С. Богдан, Ю.В. Моісеев, А.О. Санкін. 4. Патент України № 84489, МПК G01N 27/72, G01R 33/12, G01B 7/02, 27.10.2008 Бюл. № 20, "Пристрій для неруйнівного контролю вмісту немагнітної фази в феромагнітних матеріалах" К.С. Богдан, Ю.В. Моісеев, А.О. Санкін. 5. Патент України № 102749, МПК G01N 27/76, A61N 2/06, H01F 7/02, G01R 33/16, 12.08.2013 Бюл. № 15, "Спосіб вимірювання магнітної сприйнятливості магнітних рідин та пристрій для його реалізації" О.В. Кириленко, О.Д. Подольцев, І.П. Кондратенко, І.М. Кучерява, В.Ф. Чехун, В.В. Бондар, Н.Ю. Лук'янова, І.М. Тодор. 6. В.И. Чечерников. Магнитные измерения. - М.: Изд. Московского университета, 1969.-С. 120. 7. П. Селвуд. Магнетохимия. - М.: изд. иностранной литературы, 1958. - С. 13. 8. Р. Карлин. Магнетохимия. - М.: Мир, 1989. - С. 360. 9. В.Т. Калинников, Ю.В. Ракитин. Введение в магнетохимию. Метод статической магнитной восприимчивости в химии. - М.: Наука, 1980. - С. 41. 10. Ю.В. Ракитин, В.Т. Калинников. Современная магнетохимия. - СПб: Наука, 1994. - С. 30. 11. К.П. Белов. Магнитные превращения. - М.: гос. изд. физ-мат. литературы, 1959. – С. 12. Буравихин В.А., Шелковников В.Н., Караванова В.П "Практикум по магнетизму", М.: Высшая школа, 1979. - С. 41. 13. С.В. Вонсовский. Магнетизм. Магнитные свойства диа-, пара-, ферро-, антиферро- и ферримагнетиков. - М.: Наука, 1971. - С. 46.  15 20 25 30 35 40 45 4 UA 94163 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 Пристрій для вимірювання намагніченості руд та магнітних матеріалів, що містить силовимірювальний блок, зразок з порошком руди або іншого магнітного матеріалу та постійний магніт, який відрізняється тим, що магніт нерухомо закріплено на силовимірювальному блоку, який дозволяє вимірювати силу взаємодії зразка з неоднорідним магнітним полем, а зразок руди або іншого магнітного матеріалу нерухомо зафіксовано над магнітом в зоні найбільшого градієнту магнітного поля за допомогою фіксатору зразка з немагнітного матеріалу. 5 UA 94163 U Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6