priborИзвестия высших учебных заведений. ПриборостроениеJournal of Instrument Engineering0021-34542500-0381Национальный исследовательский университет ИТМО10.17586/0021-3454-2024-67-7-599-608pribor-147Research ArticleМЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ АНАЛИЗА И КОНТРОЛЯ МАТЕРИАЛОВ, ИЗДЕЛИЙ, ВЕЩЕСТВ И ПРИРОДНОЙ СРЕДЫMETHODS AND DEVICES FOR MONITORING AND DIAGNOSTICS OF MATERIALS, PRODUCTS, SUBSTANCES AND THE NATURAL ENVIRONMENTВарианты магнитно-реологического метода контроля магнитной восприимчивости одиночной частицыVariants of Magnetic-Rheological Method for Monitoring the Magnetic Susceptibility of a Single ParticleСандулякД. А.SandulyakD. A.

Дарья Александровна Сандуляк — канд. техн. наук; кафедра приборов и информационно-измерительных систем; доцент

Москва

Darya A. Sandulyak — PhD; Department of Instruments and Information-Measuring Systems; Associate Professor

Moskow

d.sandulyak@mail.ruМИРЭА — Российский технологический университетMIREA — Russian Technological University202427112024677599608Copyright © Национальный исследовательский университет ИТМО, 20242024Национальный исследовательский университет ИТМОНациональный исследовательский университет ИТМОhttps://pribor.ifmo.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://pribor.ifmo.ru/jour/article/view/147

Рассматриваются особенности и варианты предложенного метода определения магнитной восприимчивости χ такого специфичного ферро(ферри)магнетика, как одиночная частица малых размеров. Метод базируется на анализе конкуренции сил, в том числе магнитной, зависимой от χ, действующих на исследуемую частицу, перемещающуюся по вертикали в столбе покоящейся жидкости. Сформулированы требования к реализации магнитно-реологического метода (МР-метода), исполнение которых позволит обоснованно свести в общем случае трехмерную задачу определения χ к результативной одномерной, причем к вполне приемлемому для достижения решения уравнению баланса сил. Рассматриваются три варианта МР-метода: с перемещением частицы вниз, с ее перемещением вверх и с управляемым перемещением вверх до состояния зависания. Приведены соответствующие выражения для определения χ по данным, получаемым при выполнении опытов.

Features and variants of the proposed new method for determining magnetic susceptibility χ such a specific ferro (ferry) magnetic as a single particle of small size are described — on the basis of an analysis of the competition of forces, including magnetic force (dependent on χ), acting on the studied particle moving vertically in a column of resting liquid. It is stated that the fulfillment of the formed requirements for the implementation of the magneto-rheological method (MR-method) will allow to reasonably reduce in the general case the three-dimensional problem of determining χ to a productive one-dimensional one, and to a force balance equation that is quite acceptable for achieving a solution. Three variants of the MR-method are considered: with the movement (forced sedimentation) of the particle down, with its movement up and with the controlled movement of the particle up to the state of its hanging. The corresponding expressions for determining χ from data obtained during experiments are given.

магнитно-реологический метододиночная частицамагнитная восприимчивостьнеоднородное полемагнитный силовой факторmagnetic-rheological methodsingle particlemagnetic susceptibilityinhomogeneity magnetic fieldmagnetic force factorисследование выполнено при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках госзадания в сфере науки (проект FSFZ-2024-0005).the research was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project FSFZ-2024-0005).ReferencesСандуляк Д. А., Сандуляк А. А., Полисмакова М. Н., Ершова В. А., Сандуляк А. В., Курмышева А. Ю., Соловьев И. А. Методика пондеромоторного контроля магнитной восприимчивости дисперсных образцов и частиц железосодержащих сорбентов // Изв. вузов. Приборостроение. 2023. Т. 66, № 7. С. 602–611. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-7-602-611.Sandulyak D.A., Sandulyak A.A., Polismakova M.N., Еrshova V.А., Sandulyak А.V., Kurmysheva А.Yu., Solovev I.A. Journal of Instrument Engineering, 2023, no. 7(66), pp. 602–611, DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-7-602-611. (in Russ.)Сандуляк Д. А., Сандуляк А. А., Полисмакова М. Н., Сандуляк А. В., Харин А. С., Соловьев И. А. Оценка критериальной объемной доли феррочастиц в порошке для контроля магнитных свойств отдельных частиц // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2023. № 2. С. 16–22. DOI: 10.25791/pribor.2.2023.1387.Sandulyak D.A., Sandulyak A.A., Polismakova M.N., Sandulyak А.V., Kharin A.S., Solovyov I.A. Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics, 2023, no. 2, pp. 16–22, DOI: 10.25791/pribor.2.2023.1387. (in Russ.)Sandulyak A. A., Sandulyak A. V., Ershova V. et al. Definition of a magnetic susceptibility of conglomerates with magnetite particles. Particularities of defining single particle susceptibility // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 441. P. 724–734. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.06.027.Sandulyak A. A., Sandulyak A. V., Ershova V. et al. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2017, vol. 441, рр. 724–734. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.06.027.Пат. 2773630 РФ. Способ контроля магнитной восприимчивости частиц по концентрационной зависимости восприимчивости их дисперсных образцов / А. А. Сандуля к, В. А. Ершова, А. В. Сандуляк, М. Н. Полисмакова. Опубл. 06.06.2022.Patent RU 2773630, Sposob kontrolya magnitnoy vospriimchivosti chastits po kontsentratsionnoy zavisimosti vospriimchivosti ikh dispersnykh obraztsov (A Method for Monitoring the Magnetic Susceptibility of Particles Based on the Concentration Dependence of the Susceptibility of Their Dispersed Samples), A.A. Sandulyak, V.А. Еrshova, А.V. Sandulyak, M.N. Polismakova, Priority 06.06.2022. (in Russ.)Сандуляк А. А., Сандуляк Д. А., Полисмакова М. Н., Сандуляк А. В., Ершова В. А., Киселев Д. О. Создание и реализация метода магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости одиночной частицы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2023. № 5. С. 1–10. DOI: 10.17586/0021-3454-2023-66-7-602-611.Sandulyak A.A., Sandulyak D.A., Polismakova M.N., Sandulyak A.V., Ershova V.A., Kiselev D.O. Instruments and Systems: Monitoring, Control, and Diagnostics, 2023, no. 5, pp. 1–10, DOI: 10.25791/pribor.5.2023.1406. (in Russ.)Пат. 2753159 РФ. Способ магнитно-реологического контроля магнитной восприимчивости частицы / А. А. Сандуляк, А. В. Сандуляк, В. А. Ершова, Д. А. Сандуляк. Опубл. 12.08.2021.Patent RU 2753159, Sposob magnitno-reologicheskogo kontrolya magnitnoy vospriimchivosti chastitsy (Method of Magnetic-Rheological Control of the Magnetic Susceptibility of a Particle), A.A. Sandulyak, A.V. Sandulyak, V.A. Ershova, D.A. Sandulyak, Priority 12.08.2021. (in Russ.)Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1973. 752 с.Kasatkin A.G. Osnovnyye protsessy i apparaty khimicheskoy tekhnologii (Basic Processes and Apparatuses of Chemical Technology), Moscow, 1973, 752 р. (in Russ.)Li W., Zhou L., Han Y., Xu R. Numerical simulation and experimental verification for magnetic field analysis of thread magnetic matrix in high gradient magnetic separation // Powder Technology. 2019. Vol. 355. P. 300–308. DOI: 10.1016/j.powtec.2019.07.024.Li W., Zhou L., Han Y., Xu R. Powder Technology, 2019, vol. 355, рр. 300–308, DOI: 10.1016/j.powtec.2019.07.024.Xue Z., Wang Y., Zheng X., Lu D., Li X. Particle capture of special cross-section matrices in axial high gradient magnetic separation: A 3D simulation // Separation and Purification Technology. 2020. Vol. 237. P. 116375. DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116375.Xue Z., Wang Y., Zheng X., Lu D., Li X. Separation and Purification Technology, 2020, vol. 237, рр. 116375, DOI: 10.1016/j.seppur.2019.116375.Wu T. H., Mao J. H., Wang J. T., Wu J. Y., Xie Y. B. A New On-Line Visual Ferrograph // Tribology Trans. 2009. Vol. 52. P. 623–631. DOI: 10.1080/10402000902825762.Wu T.H., Mao J.H., Wang J.T., Wu J.Y., Xie Y.B. Tribology Transactions, 2009, vol. 52, рр. 623–631, DOI: 10.1080/10402000902825762.Baik S. K., Ha D. W., Ko R. K., Kwon J. M. Magnetic field analysis of high gradient magnetic separator via finite element analysis // Physica C. 2012. Vol. 480. P. 111–117. DOI: 10.1016/j.physc.2012.04.036.Baik S.K., Ha D.W., Ko R.K., Kwon J.M. Physica C, 2012, vol. 480, рр. 111–117, DOI: 10.1016/j.physc.2012.04.036.Ito D., Nishimura K., Miura O. Removal and recycle of phosphate from treated water of sewage plants with zirconium ferrite adsorbent by high gradient magnetic separation // Journal of Physics: Conf. Series. 2009. Vol. 156. P. 012033. DOI: 10.1088/1742-6596/156/1/012033.Ito D., Nishimura K., Miura O. Journal of Physics: Conference Series, 2009, vol. 156, рр. 012033, DOI: 10.1088/1742-6596/156/1/012033Liu Y.-L., Li D.-W., He J. et al. A periodic magnetic field as a special environment for scientific research created by rotating permanent magnet pair // Rev. of Scientific Instruments. 2018. Vol. 89. P. 105103. DOI: 10.1063/1.5016570.Liu Y.-L., Li D.-W., He J. et al. Review of Scientific Instruments, 2018, vol. 89, рр. 105103, DOI: 10.1063/1.5016570.Zeng J., Tong X., Yi F., Chen L. Selective capture of magnetic wires to particles in high gradient magnetic separation // Minerals. 2019. Vol. 9 (9). P. 509. DOI: 10.3390/min9090509.Zeng J., Tong X., Yi F., Chen L. Minerals, 2019, no. 9(9), pp. 509, DOI: 10.3390/min9090509.Hu K., Sun J., Guo Z. et al. A Novel Magnetic Hydrogel with Aligned Magnetic Colloidal Assemblies Showing Controllable Enhancement of Magnetothermal Effect in the Presence of Alternating Magnetic Field // Advanced Materials. 2015. Vol. 27. P. 2507–2514. DOI: 10.1002/adma.201405757.Hu K., Sun J., Guo Z. et al. Advanced Materials, 2015, vol. 27, рр. 2507–2514, DOI: 10.1002/adma.201405757.Sandulyak A. A., Sandulyak A. V., Polismakova M. N., Kiselev D. O., Ershova V. A., Sandulyak D. A. The Use of Spherical Pole Pieces for Performing the Faraday Balance Method // Instruments and Experimental Techniques. 2018. Vol. 61 (1). P. 123–126. DOI: 10.1134/S0020441218010293.Sandulyak A.A., Sandulyak A.V., Polismakova M.N., Kiselev D.O., Ershova V.A., Sandulyak D.A. Instruments and Experimental Techniques, 2018, no. 1(61), pp. 123–126, DOI: 10.1134/S0020441218010293.Пат. 2737609 РФ. Устройство для создания и диагностики зоны стабильной неоднородности магнитного поля / А. А. Сандуляк, А. В. Сандуляк, М. Н. Полисмакова, Д. А. Сандуляк, Д. О. Киселев. Опубл. 1.12.2020 г.Patent RU 2737609, Ustroystvo dlya sozdaniya i diagnostiki zony stabil'noy neodnorodnosti magnitnogo polya (Device for Creating and Diagnosing a Zone of Stable Magnetic Field Inhomogeneity), A.A. Sandulyak, A.V. Sandulyak, M.N. Polismakova, D.A. Sandulyak, D.O. Kiselev, Priority 1.12.2020. (in Russ.)Пат. 2805765 РФ. Способ магнитно-реологической диагностики магнитной восприимчивости частицы при ее магнитоуправляемом перемещении в жидкости / А.А. Сандуляк, Д. А. Сандуляк, М. Н. Полисмакова, А. В. Сандуляк, А. С. Харин, И. А. Соловьев. Опубл. 24.10.2023.Patent RU 2805765, Sposob magnitno-reologicheskoy diagnostiki magnitnoy vospriimchivosti chastitsy pri yeye magnitoupravlyayemom peremeshchenii v zhidkosti (Method for Magnetic-Rheological Diagnostics of the Magnetic Susceptibility of a Particle during Its Magnetically Controlled Movement in a Liquid), A.A. Sandulyak, D.A. Sandulyak, M.N. Polismakova, A.V. Sandulyak, A.S. Kharin, I.A. Solovyov, Priority 24.10.2023. (in Russ.)Пат. 2813499 РФ. Магнитно-реологический способ определения магнитной восприимчивости частицы / Д. А. Сандуляк, А. А. Сандуляк, В. А. Ершова, А. В. Сандуляк, М. Н. Полисмакова. Опубл. 12.02.2024.Patent RU 2813499, Magnitno-reologicheskiy sposob opredeleniya magnitnoy vospriimchivosti chastitsy (Magnetic-Rheological Method for Determining the Magnetic Susceptibility of a Particle), D.A. Sandulyak, A.A. Sandulyak, V.A. Ershova, A.V. Sandulyak, M.N. Polismakova, Priority 12.02.2024. (in Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.