4. Разработка методики экспресс-оценки массовой доли железа в порошкообразных материалах.

Все минералы и горные породы отличаются друг от друга рядом признаков. Наши исследуемые руды имеют ферросодержащий ценный компоненты, которые имеют высокую удельную магнитную восприимчивость. Для определения содержания железа мы решили использовать именно этот параметр. В природе существует особый вид материи – магнитное силовое поле, источником которого являются намагниченные тела – магниты, электрический ток.

Всем известен такой прибор как катушка индуктивности. Катушка индуктивности характеризуется величиной индуктивности и добротности. Добротность катушек Q определяется (формулой 1) отношением индуктивного сопротивления wL к сопротивлению потерь:

(1)

Сопротивление потерь R определяет активную составляющую тока в катушке индуктивности и зависит от потерь в меди, сердечнике, в изоляции, в каркасе катушки и др.

Для получения больших индуктивностей с хорошей добротностью применяют катушки с сердечником из магнитных материалов. Есть разные материалы, из которых делают сердечник катушки, например, магнетит прессованный, карбонильное железо, альсифер ТЧ-60, оксифер РЧ-15 и т.д. Из литературного источника [1, стр.24], в таблице 1.8 на рис. 8 представлены максимальные возможные индуктивности катушек с сердечниоком из карбонильного железа (для железо РЧ и восстановленного железа). По таблице отчётливо видно, что чем качественнее сердечник, тем больше у него индуктивность катушки. То есть, чем меньше в ней примесей и материал ближе к 100% содержанию железа, тем, больше индуктивность.

Рис.8 Таблица Максимально индуктивность катушек с броневым сердечником из карбонильного железа.

Из выше сказанного мы выдвинули теоритическую гипотезу о том, что, индуктивность катушки будет зависеть от массового содержания железа исследуемого материала, помещенного вместо сердечника в таре. Но в такой таре, которая не имеет магнитных свойств.

Велась отдельная исследовательская работа [2] в которой была рассчитана форма, число витков катушки, выбрана конструкция и каркас катушки, так же выбрана тара. Целью этой работы было определение принципиальной возможности применения индуктивного преобразователя для экспресс-оценки содержания железа в порошкообразном материале.

Опишем, что такое и что с собой представляет наш преобразователь.

Любой проводник с током создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Для концентрации поля в заданном локальном объеме проводник с током свертывается в цилиндрическую спираль, называемую в электротехнике соленоидом.

В радиоэлектронике вместо термина "соленоид" используется наименование «катушка индуктивности» (лат. inductio - наведение). Используя различное число вит­ков, изменяя их форму или помещая внутрь катушки сердечник с повышенным значением m, можно при одной и той же величине тока, протекающего через катушку, создавать магнитное поле различной интенсивности.

Параметры преобразователя были рассчитаны исходя из формы и размеров пробоотборника таким образом, чтобы получить максимальную чувствительность измерений и воспроизводимость результатов.

Зная геометрические параметры пробоотборника определяют размеры катушки, диаметр и длину намотки, а потом число витков по уравнению(2):

(2)

После того как будет найдено число витков, определяют диаметр провода с изоляцией по формуле (3):

(3)

где d— диаметр провода, мм; l — длина обмотки, мм; n — число витков; D- внешний диаметр катушки.

Индуктивность   катушки – это физическая величина, характеризующая способность катушки накапливать энергию магнитного поля. 

Индуктивность катушки зависит от формы и размеров катушки, числа витков намотки, а также от магнитных свойств окружающей среды (магнитной проницаемости сердечника) и определяется по формуле(4):

(4)

где:

L – индуктивность катушки, Гн (генри);

S – площадь сечения катушки, м²

l – длина катушки, м;

N – число витков;

μ₀ – магнитная постоянная;

μ – магнитная проницаемость материала сердечника

Типичные значения индуктивностей катушек от десятых долей мкГн до десятков Гн.

Индуктивное сопротивление катушки зависит от индуктивности катушки и частоты переменного тока и определяется по формуле(5):

(5)

или    

(6)

Пояснения к формуле (6).

ω – круговая (циклическая) частота.

 υ – частота переменного тока, Гц (герц)

Как известно из теории колебаний, частота связана с периодом и круговой (циклической) частотой соотношениями:

(7)

           Из формулы (5) можно определить индуктивное сопротивление и индуктивность катушки. Однако, эта задача осложняется тем, что наряду с индуктивным сопротивлением катушка обычно обладает еще и активным сопротивлением.

Следующая перед нами стояла задача измерение индуктивности катушки. Свой выбор остановили на прецизионным измерители RLC «АКИП-6101». Преимущество этого измерителя была высокая точность (0,3% погрешность), возможность работы в разных частотах.

Измеритель RLС – это радиоизмерительный прибор, который предназначен для измерения комплексных параметров сопротивления (импеданса) и полной проводимости электрической цепи (адмиттанса). RLC в названии прибора расшифровывается как: сопротивление, емкость и индуктивность, т. е. названия измеряемых элементов.

Принцип работы всех RLC-метров основан на анализе тестового сигнала. Подается сигнал с заданной частотой в цепь, обладающую комплексным сопротивлением, и напряжение с внутреннего генератора рабочей частоты на измеряемый объект. Затем сравниваются параметры двух напряжений: напряжения на объекте и напряжения полученного от преобразователя тока-напряжение. Отношение этих напряжений и дает полное сопротивление цепи.

В итоги получили экспериментальный измерительный прибор, блок-схема которого изображена на рис. 9

Рис.9 Структурная блок-схема измерительного прибора

Структурная блок-схема включает в себя следующие элементы:

Предназначение встряхивателя – это исключение возможности влияния слеживаемости материала на результаты исследования. Пробоотборником отбирается исследуемый материал, который помещается в соленоид. Влияющими параметрами материала являются массовая доля железа и крупность. Материал влияет на индуктивность измерительного преобразователя. Индуктивный преобразователь преобразовывает некоторую физическую величину, в данном случае массовой доли железа в материале, в некоторую электрическую величину, в данном случае индуктивность катушки. Выходным параметром преобразователя является относительное изменение индуктивности. Измерительная схема предназначена для преобразования изменения одной электрической величины в другую. В данном случае она осуществляет преобразование изменения индуктивности в сигнал напряжения или тока. Усилитель сигнала обеспечивает усиление сигнала и регулировку его уровня в зависимости от содержания железа и крупности материала. Крупность материала задается значением коэффициента усиления прибора. Индикатор выносит на экран индуктивность катушки.