СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N27/72 G01N15/06 

Изобретение относится к способам определения концентрации дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости в химической и других отраслях промышленности.

Известен способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости [1] заключающийся в пропускании жидкости с феррочастицами через диэлектрический отрезок трубопровода, осуществлении взаимодействия переменного магнитного поля катушки индуктивности, намотанной на диэлектрический отрезок трубопровода, с частицами ферромагнетика и измерений концентрации с помощью электрической измерительной схемы по изменению параметров катушки индуктивности.

Недостатками способа являются значительная погрешность измерения, обусловленная нелинейной зависимостью индуктивности катушки от концентрации ФМЧ и за счет изменения индуктивности от вариации электропроводности данной жидкости, и низкая чувствительность к концентрации ферромагнитных частиц.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, принятый за прототип [2] который заключается в том, что помещают объем с жидкостью в линейнополяризованное высокочастотное электромагнитное (ЭМ) поле и постоянное магнитное поле, при этом направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости, измеряют длину пути и угол поворота плоскости поляризации прошедшего излучения в жидкости, и по результатам измерений судят о концентрации ферромагнитных частиц.

Недостатком способа является недостаточная точность из-за сложности измерения двух геометрических параметров, а также из-за наличия в объеме жидкости наряду с падающей линейнополяризованной ЭМ волной еще и отраженной волны, так как трудно обеспечить режим согласования (коэффициент бегущей волны не равен единице).

Задача изобретения повышение точности измерения концентрации ФМЧ в жидкости.

Указанная задача достигается тем, что в способе измерения концентрации частиц в жидкости, заключающемся в том, что помещают фиксированный объем с жидкостью в СВЧ электромагнитное и постоянное магнитное поля, объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают оксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего полого цилиндра, в резонаторе возбуждают колебание направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, определяют два значения расщепленной собственной частоты и по их разности судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

На фиг. 1 представлена схема реализации предлагаемого способа.

Если в пустом замкнутом проводящем объеме возбудить колебание H_IIP линейной поляризации, а затем ввести в него намагниченный ферромагнитный стержень, то произойдет расщепление собственной частоты резонатора на две частоты f₊ и f_- (см. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на СВЧ, ГЭИ, 1963, с. 137):

где λ_o длина волны возбуждающего источника,
f_о резонансная частота колебания H в пустом цилиндрическом объеме,
μ₊(H_o) и μ_-(H_o) эффективные магнитные проницаемости для право и левополяризованных по кругу волн,
μ_o магнитная проницаемость вакуума,
ε и ε_o диэлектрическая проницаемость феррочастиц и вакуума соответственно,
H₀ напряженность постоянного магнитного поля,
P число полуволн, укладывающихся по длине замкнутого объема.

При помещении вместо намагниченного стержня объема с феррожидкостью разность частот f₊ f_- имеет вид:

где C относительная концентрация феррочастиц в жидкости. Из (2) видно, что измеряемая величина f₊ f_- не зависит от диэлектрической проницаемости феррочстиц, а также от диэлектрической проницаемости и электропроводности жидкости носителя.

Так как величины, входящие в формулу (2), являются постоянными, то концентрация ферромагнитных частиц определяется как функция от измеряемой величины f₊ f_-:
C f[f₊ f_-]
Величина напряженности постоянного магнитного поля H_о определяется из неравенства:

где H_З величина постоянного магнитного поля Земли (H_З 40 А/М),
H_рез напряженность поля, соответствующая ферромагнитному резонансу,
w круговая частота ЭМ волны,
g_o гиромагнитное отношение ( γ_o=2,21•10⁵М/А•c).

Обычно выбирается величина H_о 5•10³-10⁴ А/М, что значительно превышает поле Земли и прочие паразитные постоянные магнитные поля.

На фиг. 2 представлен график зависимости эффективных магнитных проницаемостей μ₊ и μ_- от напряженности постоянного магнитного поля. Выбрав H_о 5•10³-10⁴ А/М, работа осуществляется в области А, в этой области μ₊ и μ_- существенно отличаются друг от друга и потерями в феррите можно принебречь (см. Фальковский О.И. Техническая электродинамика, Связь, 1978, с. 192).

За величину систематической погрешности примем порог чувствительности измерения концентрации (см. Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. Энергия, 1975, с. 32 33), равный такому изменению концентрации, при котором разность частот f₊ f_- изменяется на величину полосы пропускания пустого цилиндрического ОР при возбуждении в нем колебания

где добротность колебания H_IIP пустого ОР.

В (2) приравняв Δ_o=f₊-f_-

Порог чувствительности определения концентрации в

Если в качестве примера выбрать r₁ 0,1•r₀; 10000; μ₊(H_o)= 0,5•μ_o; μ_-(H_o)=2•μ_o (Фиг. 2), p 1; λ_o=l что соответствует условно строгости (1) (r₁<<r₀), то из (3): изменение концентрации на 1,5% вызывает изменение f₊ f_- на величину, равную полосе пропускания системы частотой f₀.

При увеличении и уменьшении l погрешность измерения C% уменьшается. Рост r₁ согласно (3) также вызывает уменьшение погрешности и рост чувствительности (2). Например, для r₁ 0,3 C% ≈ 0,15% (3), но при этом нарушается условие строгости (1) (r₁<<r₀), т.е. появляется методическая погрешность. Однако тарировка f₊ f_- для среднего значения концентрации на линейном участке изменения f₊ - f_- от C позволяет в значительной степени устранить данную методическую погрешность и производить расчет относительной величины погрешности по (3).

Выражение (1) получено с учетом того, что составляющие электромагнитного поля колебание H_IIP не деформируются и остаются постоянными в зоне возмущения, а "возмущенная" частота есть функция изменения энергии электрического и магнитного поля. (Формула 3 29, см. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на СВЧ, 1963, с. 120), т.е. при выводе формулы (1) все признаки говорят за то, что использовался известный метод "малых возмущений", дающий удовлетворительные результаты для возмущенной частоты для V_возм≅0,1•V_ор, где V_возм "возмущенный" объем; V_ор объем ОР. Поэтому радиус трубопровода выбирается следующим образом: r≅0,3•r_о.

По сравнению с прототипом, где порог чувствительности определялся погрешностью измерения угла поворота плоскости поляризации ЭМ волны (0,5 - 1%), а также степенью согласования падающей ЭМ волны с устройством измерения угла поворота (1 2%), в предлагаемом способе повышение точности достигается снятием проблем с согласованием, так как объем с феррожидкостью находится в стоячем ЭМ поле, и высокой добротностью цилиндрического ОР.

Использование: в химической промышленности, в частности для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. Сущность изобретения: способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости заключается в том, что жидкость с ферромагнитными частицами помещают в цилиндрический резонатор, в котором возбуждают колебание H_IIP, где p - число полуволн, укладывающихся по длине резонатора. Резонатор помещают в постоянное магнитное поле, направление которого совмещено с осью резонатора, и измеряют два значения расщепленной собственной частоты. По разности частот определяют концентрацию частиц. 2 ил.

Способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, заключающийся в помещении фиксированного объема с жидкостью в линейно-поляризованное электромагнитное и постоянное магнитное поля, отличающийся тем, что объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают аксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего цилиндра, в резонаторе возбуждают колебание H_1 1 p, где p число полуволн, укладывающихся по длине резонатора, направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, определяют два значения расщепленной собственной частоты и по их разности судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.