УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ Российский патент 1997 года по МПК G01N15/06 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, а также измерения параметров ферромагнитных твердых образцов по углу поворота плоскости поляризации линейно-поляризованных волн. Оно может найти применение при контроле процессов производства изделий из ферромагнитных материалов, например ферритов и других магнитодиэлектриков. Известны устройства для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости /см. например, Кулаков М. В. Жуков Ю. П. Измерители концентрации дисперсных систем /обзор/. Приборы и системы управления. 1975, N8, с. 21; Беда П.И. Выборнов Б.И. и др. Неразрушающий контроль металлов и изделий. М. Машиностроение, 1976, с. 178/ посредством измерения плотности суспензии с применением поплавковых, гравитационных, гидростатических, центробежных и вибрационных методов измерения, или по электро- и теплопроводности суспензии на основе кондуктометрических, емкостных и калориметрических методов измерения. Указанным устройствам для измерения концентрации частиц в жидкости присущи следующие недостатки:
низкая точность измерения поплавковых устройств из-за оседания на поплавках взвешенных частиц;
узкий диапазон измеряемых концентраций гравитационными устройствами из-за засорения датчиков;
большая погрешность измерений гидростатических устройств из-за потерь напора потока на участке между чувствительными элементами;
низкая оперативность измерения центробежных устройств из-за наличия операций центрифугирования, замера концентрации, промывания центрифуги;
необходимость установки деаэрирующих устройств на входе вибрационного датчика для удаления газовых включений, препятствующих непосредственному включению датчика в технологические потоки,
возможность измерения лишь низких концентраций в оптических устройствах из-за ослабления поглощения и рассеивания светового потока частицами, находящимися во взвешенном состоянии в жидкости;
большая погрешность измерений ультразвуковых методов из-за наличия в измеряемой среде газовых включений;
сложность непрерывного получения чистого фильтра в сравнительном канале преобразователя, а также наличие погрешностей из-за явлений катафореза поверхностей проводимости, загрязнения датчика и т.д. для кондуктометрических устройств;
наличие существенной разницы диэлектрической проницаемости жидкой и твердой фаз для емкостных устройств;
необходимость стабилизации скорости потока суспензии и уменьшения внешних потерь тепла для калориметрических устройств.

Известен также концентратомер ферромагнитных частиц в жидкости /см. Наумов А.А. Черняк В.В. Портативный измеритель концентрации магнитной суспензии// Дефектоскопия, 1971, N2, с.124/, который содержит датчик, выполненный в виде катушки индуктивности, намотанной на диэлектрическую трубу, по которой протекает жидкость с ферромагнитными частицами, и соединенный с источником высокочастотного электромагнитного поля, устройство сравнения и измерительный прибор.

Такой концентратомер позволяет определять концентрацию ферромагнитных частиц в жидкости по изменению индуктивности катушки в зависимости от изменения количества ферромагнитных частиц в жидкости. Однако такое устройство обладает существенным недостатком, заключающимся в увеличении погрешности измерения не только за счет нелинейной зависимости величины индуктивности катушки от концентрации ферромагнитных частиц, но и за счет изменения электропроводности жидкости-носителя.

Известен способ измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, использующий эффект Фарадея, /см. Абраров А.Т. Дмитриев Д.А. Соколов Ю.Ф. "Способ измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости". А.с. N 924557, кл. G01N 15/00. БИ N16 от 30.04.82 г./. Измерение концентраций ферромагнитных частиц проводится по измерению угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, прошедшей путь длиной l через фиксированный объем жидкости с ферромагнетиком, намагниченным постоянным магнитным полем вдоль распространения электромагнитной волны.

Ближайшим по своим конструктивным признакам к предлагаемому является устройство, принятое совместно с описанным выше способом за прототип /см. Рыбак Л. И. Высокочастотные ферромагнетики. М. Физмаггиз, 1960, с. 125 126/, содержащее отрезок круглого волновода с размещенной в нем диэлектрической камерой для исследуемой среды, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода и подключенный к источнику постоянного тока, источник и приемник электромагнитной волны, а также измерительный прибор. Указанное устройство служит для определения угла поворота плоскости поляризации линейно-поляризованной электромагнитной волны /эффект Фарадея/, прошедшей в круглом волноводе область, в которой вдоль волновода размещен исследуемый сердечник из ферромагнетика, причем о свойствах сердечника судят по углу поворота плоскости поляризации при подмагничивании сердечника постоянным магнитным полем.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является недостаточная точность измерения угла поворота плоскости поляризации из-за того, что приемное устройство прототипа содержит вращающуюся секцию волновода с визуальной индикацией угла поворота плоскости поляризации, кроме того, устройство не позволяет измерять свойства жидких ферромагнетиков.

Предлагаемое изобретение направлено на увеличение точности измерения параметров ферромагнитных сред за счет введения отрицательной обратной связи и относительного сравнения проекций вектора электрического поля. Введение отрицательной обратной связи упрощает устройство путем исключения вращающихся соединений, а относительное сравнение вектора электрического поля устраняет влияние затухания электромагнитной волны на процесс измерения.

Это достигается тем, что устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, содержащее отрезок круглого волновода с размещенной в нем диэлектрической камерой для исследуемой среды, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода и подключенный к источнику тока, источник электромагнитной волны типа H₁₁, приемник электромагнитной волны и измерительный прибор, дополнительно включает в себя блок сравнения, усилитель постоянного тока (УПТ) и два амплитудных детектора (АД), при этом входы амплитудных детекторов присоединены к приемникам электромагнитной волны, которые выполнены в виде взаимно перпендикулярных приемных вибраторов, расположенных в плоскости поперечного сечения волновода, а выход блока сравнения подключен к входу УПТ, к выходу которого подключен управляемый источник тока. Торцовые поверхности камеры для исследуемой среды выполнены в виде конусов. За приемниками электромагнитной волны на торцовой поверхности отрезка круглого волновода установлена согласованная нагрузка, например, в виде поглощающего конуса.

На фиг. 1 схематически изображено предлагаемое устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

Источник 1 электромагнитного поля соединен с устройством возбуждения 2 электромагнитной волны типа H₁₁. Устройство возбуждения 2 и диэлектрическая камера 3 с конусообразными торцами 4 помещены внутрь отрезка круглого волновода 5. Камера 3 снабжена патрубками 6 подвода анализируемой среды. Каркас 7 с обмоткой соленоида 8 размещен на поверхности отрезка волновода 5 над камерой 3. Обмотка соленоида 8 соединена с источником тока 9, питающего соленоид. С другой стороны отрезка круглого волновода 5 за диэлектрической камерой 3 размещены два взаимно перпендикулярных приемных вибратора 10, которые расположены в плоскости поперечного сечения волновода 5, а в торце отрезка круглого волновода 5 помещена согласованная поглощающая нагрузка 11. Вибраторы 10 подключены к АД 16, выходы которых подсоединены к устройству сравнения 12, сигнал устройства сравнения усиливается УПТ 13, выход УПТ соединен с управляемым источником тока соленоида 9. Измерительный прибор 14 включен в цепь питания соленоида. Анализируемая жидкость протекает через камеру 3, полностью ее заполняя. Изолирующие втулки 15 крепят вибраторы 2 и 10 в отрезке круглого волновода.

Принцип работы предложенного устройства заключается в следующем. Энергия источника высокочастотного электромагнитного поля 1 с помощью устройства возбуждения /вибратора/ 2 передается в отрезок круглого волновода 5. В этом отрезке волновода возбуждается электромагнитная волна H₁₁, которая, распространяясь вдоль волновода 5, взаимодействует с ферромагнитными частицами в жидкости, протекающей через диэлектрическую камеру 3. Торцы камеры 3 выполнены в виде конусов для уменьшения отражения от исследуемой среды электромагнитной волны. Взаимодействие линейно-поляризованной электромагнитной волны с ферромагнитными частицами жидкости происходит в присутствии постоянного магнитного поля, создаваемого током, протекающим по соленоиду 8, причем величина этого тока и напряженности создаваемого им постоянного магнитного поля меняется в зависимости от концентрации ферромагнитных частиц. В результате взаимодействия электромагнитной волны с ферромагнитными частицами в присутствии постоянного магнитного поля, направление вектора напряженности которого совпадает с направлением распространения электромагнитной волны, плоскость поляризации этой волны на выходе из объема с жидкостью повернется на угол θ /эффект Фарадея/. С учетом известных аналитических выражений /см. Вельман В. И. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М. Связь, 1971, с. 465/ зависимость угла поворота поляризации для жидкости с ферромагнитными частицами можно записать в виде
q = β•[μ(H)•ε]•l•C,
где β коэффициент распространения электромагнитной волны, зависящий от величины m и e:μ относительная магнитная проницаемость ферромагнитных частиц, зависящая от величины напряженности постоянного магнитного поля H; C - относительная концентрация ферромагнитных частиц в жидкости; l длина пути электромагнитной волны в жидкости с ферромагнитными частицами.

Величина b при постоянстве зависит только от величины H, т.е. от величины тока I, питающего соленоид, и, таким образом, при фиксированной длине l угол поворота q зависит только от измеряемой величины тока соленоида I и величины C.

q = f(I,C)
Пусть электромагнитная волна, пройдя объем 3 с концентрацией частиц C₀ при значении тока соленоида I₀, повернет плоскость поляризации на угол θ_p. Эта волна падает на два взаимно перпендикулярных вибратора 10, а затем поглощается без отражения нагрузкой 11. На вибраторах 10 под действием электромагнитной волны выводятся ЭДС, амплитуды которых пропорциональны проекциям вектора электромагнитного поля волны на эти вибраторы. ЭДС, наводимые на вибраторах, поступают через АД 16 на схему сравнения 12. Сформированный 12 сигнал рассогласования усиливается УПТ 13. Пусть для концентрации C₀ и угла θ_o плоскость поляризации делит угол, образованный вибраторами, пополам, тогда амплитуды ЭДС, наводимых на вибраторах 10, будут равны и на выходе устройства сравнения 12 сигнал будет равен нулю и на УПТ 13 сигнал поступает нулевого уровня, ток I₀ не меняется. При изменении концентрации ферромагнитных частиц от C₀ до C₁ плоскость поляризации повернется на угол θ₁, произойдет смещение вектора электрического поля от середины угла между вибраторами, а это, в свою очередь, нарушит равенство наводимых ЭДС. Устройство сравнения 12 формирует сигнал рассогласования, амплитуда и знак которого зависят, соответственно, от величины угла и направления поворота плоскости поляризации. Усиленный сигнал рассогласования поступает на УПТ 13, воздействующий на управляемый источник тока 9, который измеряет ток питания соленоида до такой величины I, при которой угол поворота плоскости поляризации снова становится равным θ_o. Таким образом, схема пришла в новое состояние равновесия, где концентрации C₁ соответствует значение тока I₁. Следовательно, величина тока соленоида, измеряемая 14, является мерой концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. Так как в предлагаемом устройстве производится относительное сравнение проекций вектора электрического поля, то на процесс измерения не влияет затухание электрического поля волны, обусловленное возможным изменением проводимости исследуемой жидкости с ферромагнитными частицами. Кроме того, из-за отсутствия в предлагаемом устройстве вращающихся сочленений и устройства их поворота с визуальной индикацией угла поворота, повышается точность измерений. От использования предлагаемого изобретения может быть получен технико-экономический эффект, заключающийся в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкостей с ферромагнитными частицами и ферромагнитных изделий за счет повышения точности измерения концентрации.

Использование: для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. Сущность изобретения: устройство содержит отрезок круглого волновода с размещенной в нем диэлектрической камерой для исследуемой среды, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода и подключенный к источнику тока, источник электромагнитной волны типа H₁₁, приемник электромагнитной волны, измерительный прибор, блок сравнения, усилитель постоянного тока и два амплитудных детектора. Входы амплитудных детекторов присоединены к приемникам электромагнитной волны, которые выполнены в виде взаимно перпендикулярных вибраторов, расположенных в плоскости поперечного сечения волновода. Выход блока сравнения подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен управляемый источник тока. Торцовые поверхности камеры для исследуемой среды выполнены в виде конусов. За приемниками электромагнитной волны на торцовой поверхности отрезка круглого волновода установлена согласованная нагрузка, например, в виде поглощающего конуса. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, содержащее отрезок круглого волновода с размещенной в нем диэлектрической камерой для исследуемой среды, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода и подключенный к источнику тока, источник электромагнитной волны типа Н₁₁, приемник электромагнитной волны и измерительный прибор, отличающееся тем, что оно дополнительно включает в себя блок сравнения, усилитель постоянного тока и два амплитудных детектора, при этом входы амплитудных детекторов присоединены к приемникам электромагнитной волны, которые выполнены в виде взаимно перпендикулярных приемных вибраторов, расположенных в плоскости поперечного сечения волновода, а выход блока сравнения подключен к входу усилителя постоянного тока, к выходу которого подключен управляемый источник тока. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что торцевые поверхности камеры для исследуемой среды выполнены в виде конусов. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что за приемниками электромагнитной волны на торцевой поверхности отрезка круглого волновода установлена согласованная нагрузка, например, в виде поглощающего конуса.