Седиментометр

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(72) Авторы Дударев Владимир Владимирович Сухоцкий Альберт Борисович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный технологический университет(57) 1. Седиментометр, содержащий седиментационный сосуд с плоским дном и помещенное в него немагнитное тело, соединенное штоком с весоизмерителем, а также источник неоднородного магнитного поля, экспоненциально убывающего поперек дна сосуда с заданным характерным размером убывания , выполненный в виде набора чередующихся с заданным периодом постоянных магнитов прямоугольного сечения с нормальным направлением намагниченности, при этом размеры указанного сосуда в параллельной к поверхности источника плоскости не превышают размера , а ко дну сосуда и обращенной к нему нижней поверхности тела приклеены датчики Холла, отличающийся тем, что постоянные магниты источника выполнены вытянутыми и с периодом чередования , выбранным из условия 2. 10044 1 2007.12.30 2. Седиментометр по п. 1, отличающийся тем, что немагнитное тело выполнено с плоским дном, параллельным дну седиментационного сосуда. 3. Седиментометр по п. 2, отличающийся тем, что немагнитное тело выполнено с размером вдоль штока не менее /2. Устройство относится к магнитометрическим и силометрическим приборам и предназначено для контроля седиментационной устойчивости магнитожидкостных дисперсий. Магнитожидкостные дисперсии (МЖ дисперсии) - это композиции, в состав которых входят слабомагнитные (диа- либо пара-) жидкости и дисперсные ферромагнетики, обладающие существенной текучестью и намагниченностью. К ним относятся жидкие коллоиды ферромагнетиков (магнитные жидкости), стабилизированные суспензии ферромагнетиков в слабомагнитных жидкостях и слабомагнитных частиц в магнитных жидкостях(магнитореологические суспензии), магнитожидкостные композиции для шлифовки, полировки и дефектоскопии, сопутствующие получению всех этих материалов составы. Наиболее известный метод контроля седиментационной устойчивости и неоднородности распределения дисперсной фазы состоит в отборе проб из различных частей объема и измерения их плотности, параметров кривых намагничивания, вязкости и других физикохимических характеристик 1-3. Набор этих параметров позволяет рассчитать характеристики дисперсной фазы проб. Недостатком этого метода является его трудоемкость. Известен способ определения устойчивости магнитных коллоидов 4, основанный на помещении МЖ дисперсии в неоднородное магнитное поле и измерении перепада давления в измерительном канале. Недостатком этого метода является необходимость предварительного измерения намагниченности насыщения МЖ дисперсии и помещение образца в сильные поля (более 150-200 кА/м), при которых достигается намагниченность насыщения дисперсии. Кроме того, этот метод не позволяет регистрировать кинетику оседания частиц. Известен седиментометр 5, в котором исследуемый образец помещают в седиментационный сосуд внутри соленоида таким образом, что ось сосуда параллельна силовым линиям его магнитного поля. Под действием электромагнитной силы, создаваемой полем соленоида, ферромагнитные частицы исследуемой суспензии перемещаются к приемной чашечке. Чашечка соединена штоком с весоизмерителем, который регистрирует массу частиц во времени. Недостатком этого устройства является то, что из-за слабой неоднородности магнитного поля оно не позволяет исследовать ферроколлоиды. Кроме того, это устройство не позволяет контролировать устойчивость, если направление оседания частиц(задаваемое направлением градиента модуля поля) неколлинеарно линиям напряженности поля, а также не позволяет исследовать распределение феррофазы по объему образца. Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является седиментометр 6, который содержит источник неоднородного магнитного поля, седиментационный сосуд, весоизмеритель и шток. Источник создает поле, модуль напряженности которого экспоненциально убывает в направлении, перпендикулярном плоской поверхности источника. При этом размеры сосуда в параллельной к поверхности источника плоскости не превышают характерного размераэкспоненциального убывания поля. В сосуд помещают присоединенное штоком к весоизмерителю немагнитное тело различной геометрии. Тело обтекаемой формы помещают для исследования распределения феррофазы по объему образца путем силометрических измерений. Тело с плоской параллельной плоскому дну сосуда нижней поверхностью - для проведения магнитометрических измерений датчиками Холла, приклеенными к дну сосуда и нижней поверхности тела. Тело правильной формы с плоской нижней поверхностью и размером вдоль штока не менее 3,14- для повышения точности измерений. Недостатком этого устройства является то, невысокая точность измерений из-за отсутствия оптимизации параметров седиментомера. 2 10044 1 2007.12.30 Задача изобретения - повышение достоверности контроля седиментационной устойчивости частиц МЖ дисперсий за счет оптимизации параметров седиментометра. Указанная задача достигается тем, что седиментометр, содержащий седиментационный сосуд с плоским дном и помещенное в него немагнитное тело, соединенное штоком с весоизмерителем, а также источник неоднородного магнитного поля, экспоненциально убывающего поперек дна сосуда с заданным характерным размером убывания , выполненный в виде набора чередующихся с заданным периодом постоянных магнитов прямоугольного сечения с нормальным направлением намагниченности, при этом размеры указанного сосуда в параллельной к поверхности источника плоскости не превышают размера , а ко дну сосуда и обращенной к нему нижней поверхности тела приклеены датчики Холла. Особенность заключается в том, что постоянные магниты источника выполнены вытянутыми и с периодом чередования, выбранным из условия 2. При этом немагнитное тело выполнено с плоским дном, параллельным дну седиментационного сосуда. Для повышения точности измерений немагнитное тело выполнено с размером вдоль штока не менее /2. Картина распределения магнитного поля, создаваемого источником, позволяет повысить достоверность контроля седиментационной устойчивости частиц МЖ дисперсий за счет расширения диапазонов градиента поля и его ориентации относительно линий напряженности поля. Возможность помещения немагнитного тела в различные области сосуда позволяет исследовать распределение феррофазы по объему образца. Изобретение поясняется фиг. 1-4. На фиг. 1 представлена схема устройства, на фиг. 2 экспериментальные временные зависимости изменений напряженности вторичного поля,на фиг. 3 - теоретические зависимости вторичного поля от первичного поля, на фиг. 4 теоретические зависимости приведенной выталкивающей силы. На фиг. 1 представлены 1 - источник магнитного поля, 2 - седиментационный сосуд,3 - немагнитное тело, 4 - шток, 5 - весоизмеритель, 6 и 7 - датчики Холла. На фиг. 2. представлены экспериментальные временные зависимости изменений напряженностивторичного поля, регистрируемых приклеенным к дну седиментаци онного сосуда датчиком Холла для образца механически перемешанной дисперсии с намагниченностью насыщения 75 кА/ м, полем половинного намагничивания 33 кА/м, расстоянием между дном сосуда и плоской нижней поверхностью тела 19,7 мм. На фиг. 3 представлены теоретические зависимости вторичного поляиот первичного поляпри однородном и неоднородном (согласно уравнению Больцмана) распределении частиц МЖ дисперсии для различных 5 мм, 10 мм и 20 мм. Светлые значки - однородное распределение, темные - неоднородное. На фиг. 4 представлены теоретические зависимости приведенной выталкивающей силы , действующей на погруженную в МЖ дисперсию с однородным и неоднородным распределением частиц немагнитную пластину для различных 5 мм, 10 мм и 20 мм. Светлые значки - однородное распределение, темные - неоднородное. Устройство работает следующим образом. В поле источника магнитного поля 1(фиг. 1) помещают седиментационный сосуд 2 с МЖ дисперсией. Источник выполнен в виде набора чередующихся с периодомвытянутых постоянных магнитов прямоугольного сечения с нормальным направлением намагниченности. При этом источник создает поле,модуль которого убывает в направлениипо экспоненциальному закону( )/,где- расстояние от плоской поверхности источника, Н - поле на поверхности источника,/(2) - характерный размер убывания поля. Пунктирными линиями представлены силовые линии первичного поля (поля источника в пустом пространстве). Если внутренние размеры сосуда в перпендикулярном осисечении не превышают характерного размераэкспоненциального убывания поля, то в пределах занимаемого образцом объема 3 10044 1 2007.12.30 ориентация поля существенно не изменяется. Перемещая сосуд вдоль поверхности источника, образец помещают в поле, где силовые линии преимущественно направлены либо вдоль оси , либо поперек оси , либо в любом другом направлении. Это позволяет исследовать влияние ориентации поля на седиментационную устойчивость дисперсии. Для исследования распределения феррофазы по объему в сосуд помещают немагнитное тело 3, присоединенное штоком 4 к весоизмерителю 5. Для проведения силометрических измерений тело выбирают обтекаемой формы (например, сфера), которая позволяет снизить влияние тела на перераспределение феррофазы дисперсиии в неоднородном поле. На немагнитное тело, погруженное в МЖ дисперсию, действует выталкивающая сила . Весоизмерителем определяют выталкивающую силув начальный момент времени. При развитии неоднородности распределения феррофазы величина выталкивающей силызависит от времени. Перемещая тело относительно сосуда, измеряют характеристики распределения феррофазы по объему. Количественной мерой неоднородности является разность- . Для проведения магнитометрических измерений используют датчики Холла 6 и 7,прикрепленные к дну сосуда и к нижней поверхности тела соответственно. В этом случае для упрощения интерпретации показаний датчика дно сосуда и нижняя поверхность тела должны быть плоскими и параллельными друг другу и поверхности источника. Датчики Холла определяют значение -составляющей напряженности поля Нс и Нс. При развитии неоднородности распределения феррофазы напряженности магнитного поля Нс и Нс зависят от времени. Количественной мерой неоднородности являются разностии Для повышения точности измерений путем снижения влияния находящейся над телом среды используют тело правильной формы (цилиндр, параллелепипед) с плоской нижней поверхностью и размером вдоль штока не менее . Выдавленнае телом дисперсия располагается на верхней удаленной от источника поверхности тела и не оказывает влияния на датчики Холла, что упрощает интерпретацию результатов измерений. Как видно из фиг. 2, при помещении образца МЖ дисперсии в неоднородное магнитное поле происходит изменение вторичного (индуцированного дисперсией) поля, вызванное оседанием частиц дисперсии (седиментацией). Максимальное изменение показания датчика Холла, полученное после 18 часов, составило 9,9 кА / м . Фиг. 3 показывает влияние параметров поля и геометрических размеров сосуда на чувствительность устройства. В тонких слоях (менее ) наибольшие значения изменений вторичного поля, связанных с неоднородностью дисперсии, регистрируются датчиком Холла, прикрепленного к немагнитному телу, а в толстых - датчиком Холла, прикрепленного к дну сосуда. На фиг. 4 видно, что наибольшее изменение приведенной на единицу площади выталкивающей силы/при возникновении неоднородности наблюдается дляс характерным размеромэкспоненциального убывания поля источника. Устройство позволяет контролировать седиментационную устойчивость и кинетику оседания частиц МЖ дисперсий по магнитометрическим и силометрическим измерениям в широком диапазоне градиента модуля напряженности поля и его ориентации относительно линий напряженности, что повышает достоверность контроля. Это повысит достоверность измерения характеристик МЖ дисперсий и связанных с ними рабочих характеристик магнитожидкостных устройств. Устройство может быть использовано исследовательскими лабораториями Института тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова и Института прикладной физики АН РБ, Белорусского технического университета, Гродненским заводом гидроагрегатов и другими научными учреждениями и промышленными предприятиями. 4 1. Вислович А.Н., Дударев В.В., Сулоева Л.В. Магнитостатические характеристики магнитных жидкостей на нефтяных и синтетических маслах // 5 Всессоюзное совещание по физике магнитных жидкостей. - Пермь, 1990. - С. 44- 46. 2.,,,. ..- ,- 1992. - . 508-509. 3. Вислович А.Н., Лесникович А.И., Воробьева С.А., Шункевич Т.М. Магнито-жесткая фракция в технических ферроколоидах. МГ. - 1993. - 2. - С. 35 - 42. 4. А.с. СССР 922586, МПК 401 7/10, 1982. 5. А.с. СССР 922586, МПК 401 7/10, 1974. 6.1386 , МПК 401 7/10, 2004 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.