Устройство для определения скорости индукционного нагрева материалов

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности измерения скорости индукционного нагрева материалов в переменных электромагнитах полях. Устройство характеризующееся тем, что оно состоит из генератора, индуктора, измерительной ячейки с термометром, которая в процессе измерения последовательно опирается на подъемный столик и съемную термоизоляцию, электротермостатирующей рубашки, вентилятора и проточного термостата, что позволяет получать на устройстве воспроизводимые результаты определения скорости индукционного нагрева магнитных жидкостей, суспензий и порошков. 1 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности измерения скорости индукционного нагрева материалов в переменных электромагнитных полях.

Абсорбция энергии переменного магнитного поля материалами и трансформация ее в теплоту зависят от скорости вращения магнитных моментов в кристаллах, которая увеличивается до достижения температуры точки Кюри (Т_с), после чего остается постоянной. В стандартных условиях температура образца возрастает со скорость, пропорциональной увеличению скорости вращения магнитных моментов в его кристаллах, и остается постоянной при Т_с.

Существующие устройства, предназначенные для определения скорости индукционного нагрева материалов, генерируют электромагнитное поле, которое представлено электрическим и магнитным полем. В процессе определения скорости нагрева температура устройства возрастает и может изменять скорость нагрева образца. Электрическое поле взаимодействует с образцом и индуцирует электрические заряды. Электрические заряды генерируют искровые электрические разряды на поверхности измерительной ячейки, которые обладают температурой >3000°С [1] и могут изменять скорость нагрева образца, кроме того, в помещении постоянно меняется температура, это может изменять скорость нагрева образца. В результате перечисленных изменений, нарушается воспроизводимость (стандартность) условий среды, окружающей измерительную ячейку, что приводит к невоспроизводимости результатов измерений скорости индукционного нагрева образца.

Для определения скорости индукционного нагрева образцов магнитовосприимчивых материалов используется устройство, состоящее из генератора, индуктора и измерительной ячейки, снабженной встроенной термоизоляцией и термометром (аналог) [2].

Для определения скорости абсорбции энергии переменного магнитного поля образцом используется устройство, состоящее из генератора, индуктора с водяным охлаждением (по медным трубкам катушки индуктора пропускают воду) и измерительной ячейки, снабженной встроенной термоизоляцией и термометром (аналог) [3].

Наиболее близким к заявленному устройству (прототип) является устройство, состоящее из генератора, индуктора, измерительной ячейки, встроенной термоизоляции и термометра, с помощью этого устройства определяют скорость индукционного нагрева образцов ферро- и ферримагнитных материалов [4].

Общими недостатками аналогов и прототипа являются:

- невозможность удаления термоизоляции и отсутствие защиты измерительной ячейки от электрических зарядов;

- неустойчивая исходная температура измерительной ячейки и окружающей среды, изменяющиеся в течение одного опыта и от опыта к опыту;

- неустойчивая конечная температура среды, окружающей ячейку, изменяющаяся от опыта копыту;

- низкая производительность труда (до и после измерения необходимо от 1,5 до 6 часов для охлаждения или нагрева устройства и исследуемого образца до постоянной температуры, которая зависит от температуры окружающей среды, поскольку точность измерений оценивают по их воспроизводимости при крайних значениях температуры воздуха в помещении (от +9 до +27°С) а также сложная технология изготовления.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков, повышение точности измерений, сокращение непроизводительных расходов времени и энергии. Указанная задача решается тем, что измерительную ячейку помещают в электротермостатирующую рубашку и выдерживают до выравнивания температуры образца с температурой электротермостатирующей рубашки, между электротермостатирующей рубашкой и измерительной ячейкой вводят термоизоляцию, таким образом, чтобы образец исследуемого материала находился в пространстве максимальной напряженности переменного магнитного поля, и выдерживают заданное время с последующими повторениями измерения для подтверждения воспроизводимости результатов.

Для определения скорости индукционного нагрева используется устройство, состоящее из генератора, индуктора, измерительной ячейки с термометром и съемной термоизоляцией, которое дополнительно содержит: вентилятор, защищающий индуктор от перегрева, принудительно охлаждая его снаружи до комнатной температуры; электротермостатирующую рубашку, охлаждающую индуктор изнутри. Съемная электротермостатирующая рубашка устанавливается внутри катушки индуктора коаксильно ей и соединяется трубками с проточным термостатом. Она предохраняет измерительную ячейку от возникновения на ее поверхности электрических зарядов и от колебаний температуры окружающей среды. В качестве теплоносителей, абсорбирующих электрическое поле, пропускающих магнитное поле в измерительную ячейку, обеспечивающих постоянную исходную температуру в измерительной ячейке используют воду, золи, суспензии или растворы веществ. Электротермостатирующая рубашка изготовлена из материала с высокой магнитной проницаемостью и имеет двойные стенки, в пространстве между стенками циркулируют с определенной скоростью вода или суспензии и растворы веществ, имеющие заданную температуру. Слой воды толщиной 1,2-21 мм фильтрует проходящее через него электромагнитное поле мощностью до 0,15 кВт на частотах 50-1000 кГц при индукции до 12 кА/м, абсорбирует электрическое поле и пропускает магнитное поле, которое абсорбируется магнитовосприимчивыми материалами, находящимися в измерительной ячейке. Неоновый индикатор светится при его соприкосновении с наружной поверхностью электротермостатирующей рубашки, заполненной водой или водными растворами и суспензиями, это указывает на наличие электрических зарядов на наружной поверхности. Неоновый индикатор не светится при его соприкосновении с внутренней поверхностью электротермостатирующей рубашки и с поверхностью измерительной ячейки, находящейся внутри термостатирующей рубашки, что указывает на отсутствие электрических зарядов на перечисленных поверхностях. Этим подтверждается абсорбция энергии электрического поля водой. Без воды (сухая) электротермостатирующая рубашка не предупреждает возникновение электрических зарядов на поверхности измерительной ячейки т.к. не абсорбирует энергию электрического поля (неоновый индикатор не светится, что указывает на отсутствие электрических зарядов на наружной поверхности сухой электротермостатирующей рубашки), но в этих условиях неоновый индикатор светится при соприкосновении с измерительной ячейкой что указывает на присутствие электрических зарядов на ее поверхности. Подъемный столик фиксирует измерительную ячейку коаксильно катушке индуктора так, чтобы образец исследуемого материала находился в пространстве максимальной напряженности переменного магнитного поля.

При использовании заявленного устройства достигается повышение воспроизводимости условий среды, окружающей измерительную ячейку, увеличивается точность измерений.

Существенными отличиями заявленного устройства, включающего генератор с индуктором, измерительную ячейку с термометром и термоизоляцией, являются вентилятор, охлаждающий индуктор снаружи, электротермостатирующая рубашка, абсорбирующая энергию электрического поля и избыток тепла, термостат, подающий теплоноситель в рубашку, подъемный столик, фиксирующий измерительную ячейку коаксильно катушке индуктора, что обеспечивает воспроизводимость условий среды, окружающей ячейку, высокую точность измерений и воспроизводимость результатов при температуре воздуха в помещении от +9 до +27°С.

Схема заявленного устройства представлена на чертеже. Устройство состоит из генератора 1, соединенного кабелем 2 с высокорезонансным индуктором, представленным конденсатором 3, соединенным кабелем 4 с катушкой 5, проточного термостата 6, вентилятора 7, электротермостатирующей рубашки 8, снабженной трубкой 9 для подачи и трубкой 9’ для отвода термостатированной жидкости, термометра 10, измерительной ячейки 11, термоизоляции 12 и подъемного столика 14, фиксирующего измерительную ячейку коаксильно катушке индуктора.

Индуктор представляет собой закрытый колебательный контур, состоящий из конденсатора 3 и катушки 5, которая снаружи принудительно охлаждается воздухом от вентилятора 7, а изнутри охлаждается электротермостатирующей рубашкой 8, соединенной с проточным термостатом 6. В нормальном режиме работы он дает электромагнитное поле мощностью до 0,15 кВт и обеспечивает стандартные условия среды, окружающей образец.

Электротермостатирующую рубашку 8 монтируют коаксильно катушке индуктора 5 и соединяют с термостатом 6. Электротермостатирующая рубашка имеет двойные стенки и трубки для подвода и отвода жидкости 9, 13, в пространстве между стенками циркулируют с определенной скоростью вода, суспензии или растворы, имеющие постоянную температуру, абсорбирующие энергию электрического поля и пропускающие энергию магнитного поля.

Измерительная ячейка 11 содержит образец испытуемого материала (магнитную жидкость) и термометр 10, снаружи она имеет съемную термоизоляцию 12, которая опирается на подъемный столик 14, фиксирующий измерительную ячейку 11 коаксильно катушки индуктора. Магнитовосприимчивые материалы (золи, суспензии и порошки), обладающие заметной намагниченностью при начальной температуре измерения, абсорбируют энергию магнитного поля и нагреваются с различными скоростями до температуры точки Кюри (Т_c). Вода, 0,9%-ный раствор NaCl, золи и суспензии, имеющие нулевую намагниченность при температуре измерения, не абсорбируют энергию магнитного поля и не нагреваются. Нагрев образца прекращается при достижении температуры Т_c.

Пример работы устройства представлен на чертеже.

Включают термостат 6, подающий теплоноситель в электро-термостатирующую рубашку 8, помещают измерительную ячейку 11 с термометром 10 в электротермостатирующую рубашку 8 так, чтобы их стенки соприкасались и выдерживают 9-18 мин до выравнивания температуры образца с температурой электротермостатирующей рубашки, подъемным столиком 14 устанавливают термоизоляцию 12 в пространство между измерительной ячейкой 11 и электротермостатирующей рубашкой 8, фиксируют термоизоляцию с измерительной ячейкой таким образом, чтобы исследуемый образец был коаксилен катушке индуктора 5, включают вентилятор 7, включают генератор 1 и регистрируют зависимость изменения температуры образца от времени.

Для сравнения заявленного устройства с известными проводят измерения скорости индукционного нагрева образца магнитовосприимчивого материала с использованием устройства-прототипа при температуре помещения от +9 до +27°С и заявленного устройства в тех же условиях. При использовании устройства-прототипа результаты измерений не воспроизводятся. При использовании заявленного устройства, в тех же условиях, результаты измерений воспроизводятся полностью.

При измерениях на устройствах-предшественниках и на устройстве-прототипе суммарная энергия, получаемая образцом, складывается из переменных слагаемых (формула 1)

где U - суммарная энергия, получаемая образцом;

ΔU₁ - энергия магнитного поля, получаемая образцом от индуктора;

ΔU₂ - энергия электрического поля, получаемая образцом от индуктора;

ΔU₃ - тепловая энергия, получаемая образцом от индуктора;

ΔU₄ - тепловая энергия, получаемая образцом из воздуха.

Изменение температуры воздуха в помещении ведет к изменению температуры индуктора и к изменению суммарной энергии U, получаемой образцом, которая изменяется в соответствии с изменениями любого из слагаемых: ΔU₁, ΔU₂, ΔU₃, ΔU₄, что приводит к колебаниям температуры образца и невоспроизводимости результатов измерений.

Сокращение количества переменных в формуле 1 достигается применением в предлагаемом устройстве электротермостатирующей рубашки. Суммарная энергия, получаемая образцом, складывается из постоянных слагаемых (формула 2)

где U - суммарная энергия, получаемая образцом;

ΔU₁ - энергия магнитного поля, получаемая образцом от индуктора;

ΔU_эт - тепловая энергия, получаемая образцом, от электротермостатирующей рубашки.

Технический результат: с помощью разработанного устройства получают воспроизводимые величины определения скорости индукционного нагрева магнитных жидкостей, суспензий и порошков.

Источники информации

1. Строиг Д. Техника физического эксперимента. Л.: Газетное и книжное издательство, 1948, с.507.

2. Брусенцов Н.А., Порубова Г.М., Евелев Ю.К., Шумаков Л.И., Чулков А.В., Килимник И.В., Разумовский В.А., 4-я Всесоюзная конференция по применению магнитных жидкостей в биологии и медицине. Сухуми 1991, с.27-30.

3. Chan D.C.F., Kirpotin D.B., Bunn P.A., Scientific and Clinical Applications of Magnetic Carriers (Eds). Hafeli et al. Plenum Press, N.Y., (1997) p.607-618.

4. Jordan A., Wust P., Scholz R., Faehling H., Krause J. and Felix R. Scientific and Clinical Applications of Magnetic Camera (Eds). Hafeli et al. Plenum Press, N.Y., 1997, p.569-595.

Формула изобретения

Устройство для определения скорости индукционного нагрева материалов, характеризующееся тем, что оно состоит из генератора, индуктора, измерительной ячейки с термометром, подъемного столика, съемной термоизоляции, электротермостатирующей рубашки, вентилятора и проточного термостата, отличающееся тем, что оно состоит из генератора, индуктора, содержащего конденсатор и катушку, измерительной ячейки с термометром, предназначенной для размещения образца материала, подъемного столика, фиксирующего измерительную ячейку, съемной электротермостатирующей рубашки, расположенной коаксильно внутри катушки, пространство между стенками которой соединено с проточным термостатом, съемной термоизоляции, расположенной между электротермостатирующей рубашкой и измерительной ячейкой, вентилятора для охлаждения катушки индуктора.

РИСУНКИРисунок 1