УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЖИДКИХ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКОВ Российский патент 1998 года по МПК G01N22/00 

Предполагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения параметров жидких магнитодиэлектриков. Оно может найти применение при контроле процессов производства магнитных носителей информации, в производстве спецпокрытий летательных аппаратов, ферритовых устройств техники СВЧ и т.д.

Известен концентратометр ферромагнитных (ФМ) 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, включенной в частотно-задающую цепь генератора и намотанной на диэлектрическую трубу постоянного сечения, по которой протекает жидкость с ферромагнитными частицами. Такой концентратометр позволяет определять концентрацию ферромагнитных частиц по изменению индуктивности катушки в зависимости от изменения количества ферромагнитных частиц.

Недостатками данного устройства являются не только высокая погрешность за счет нелинейной зависимости величины индуктивности от концентрации феррочастиц и ее вариации от электропроводности жидкости-носителя, но и низкая чувствительность при концентрации жидких магнитодиэлектриков за счет невысокой величины начальной магнитной проницаемости феррочастиц и ее уменьшение при увеличении частоты генератора.

Наиболее близким к предполагаемому изобретению является устройство для определения плотности жидкости по изменению ее диэлектрической проницаемости, принятое за прототип /см. Кивилис С.С. Плотномеры М.: Энергия, 1980, с. 251-252/ и состоящее из цилиндрического объемного резонатора (ОР), на оси которого расположен диэлектрический трубопровод постоянного сечения с исследуемой жидкостью, и генератора СВЧ. Мерой диэлектрической проницаемости, которая функционально связана и в прототипе пересчитывается в плотность жидкости, является частота генератора СВЧ, преобразованная в разностную частоту путем гетеродинирования.

Недостатками данного устройства являются недостаточные функциональные возможности и низкая точность определения плотности жидкости вследствие дисперсии диэлектрической проницаемости (она существенно зависит от меняющейся частоты для сред с потерями).

Предполагаемое изобретение направлено на обеспечение возможности определения концентрации, диэлектрической проницаемости и электропроводности жидких магнитодиэлектриков и повышение точности определения плотности жидкости. Это достигается тем, что устройство, содержащее цилиндрический объемный резонатор (ОР), на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью и генератор СВЧ дополнительно включают демультиплексор, вход которого соединен с выходом генератора СВЧ, а выходы соединены с полой металлической трубкой, надетой на трубопровод, для возбуждения колебаний E₀₁₀ в цилиндрическом ОР и с возбуждающей петлей колебания H₀₁₁, объем твердого компенсационного СВЧ-феррита расположен посередине длины и у боковой стенки цилиндрического ОР и представляет собой тороид с прямоугольным сечением, аксиально расположенный относительно оси, две приемные петли, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, для приема энергии колебаний E₀₁₀ и H₀₁₁ через мульплексор, амплитудный детектор (АД), аналого-цифровой преобразователь (АЦП) соединены с информационным входом микропроцессора, управляющие выходы которого соединены с соответствующим входами демультиплексора, мультиплексора и генератора СВЧ, информационный выход микропроцессора через цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) подключен к управляемому источнику тока (УИТ), который нагружен на соленоид, намотанный на боковую стенку ОР, для создания постоянного магнитного поля, направленного по оси ОР. При этом трубопровод выполнен в виде специальной формы: меньший диаметр в середине длины и больший - у торцевых стенок ОР.

На фиг. 1 приведена структурная схема предполагаемого устройства.

Устройство содержит цилиндрической ОР 1, источник 3 СВЧ-электромагнитного поля, демультиплексор 4, петлю 5 для возбуждения колебания типа H₀₁₁, полую металлическую трубку 6, надетую на трубопровод 2, для возбуждения колебания E₀₁₀, приемные петли 8 и 9 для приема СВЧ-энергии колебаний H₀₁₁ и E₀₁₀ соответственно: плоскость раскрыва петли 8 перпендикулярна, а петли 9 - лежит в плоскости чертежа, мультиплексор 10, АД 11, АЦП 12, микропроцессор 13, ЦАП 14, управляемый источник тока 15, нагрузкой которого служит соленоид 16, намотанный на цилиндрический ОР 1 для создания медленноменяющегося поля подмагничивания H, направленного по оси z, а также объем твердого компенсационного СВЧ-феррита 7, расположенного по середине длины и у боковой стенки: он представляет собой тороид с прямоугольным сечением, аксиально расположенный относительно оси ОР. Управлением частотой генератора 3, а также коммутацией демультиплексора 4 и мультиплексора 10 осуществляет микропроцессор 13 через свои управляющие выходы (демультиплексор 4 и мультиплексор 10 можно выполнить, например, на основе коаксиальных реле).

Специальная форма трубопровода 2 выбрана таким образом, что меньшей диаметр 2•Δ_o (фиг. 2а) находится в области максимального E_ϕ и минимального значения H_r колебания H₀₁₁ (фиг. 2б, 2в), а больший - наоборот. Это позволяет в значительной степени отстроится от изменения диэлектрической проницаемости ε и электропроводности γ дисперсной системы и производить расчет возмущенной частота f_в колебания H₀₁₁ ОР не учитывая диэлектрических свойств жидкости с ФМ частицами (ФМЖ).

Объем твердого компенсационного СВЧ-феррита 7 расположен посередине длины ОР 1, где H_r колебания H₀₁₁ минимально (фиг. 2в), и у боковой стенки, где электрические и магнитные поля практически отсутствуют, не влияет на частоту и добротность колебания H₀₁₁. Толщина СВЧ-феррита 7 (фиг. 2а) выбирается Δ ≈ 0,1•a и определяется погрешность измерения концентрации ФМЖ и габаритами соленоида 10.

Работа предполагаемого устройства осуществляется в два цикла: определение 1) концентрации С; 2) диэлектрической проницаемости ε и электропроводности γ.
В первом цикле выход генератора 3 через демультиплексор 4 подключается к петле 5, следующей для возбуждения колебания H₀₁₁, частота СВЧ-сигнала генератора 3 постоянна и равна f₁, приемная петля 9 отключается, а петля 8 подключается ко входу АД 11 посредством мультиплексора 10. Управление током УИТ 15 через ЦАП 14 осуществляется кодом N_i={N_min, N_max} микропроцессора 13. Ток I, протекающий по соленоиду 10, создает магнитное поле H={H_min, H_max}, направленное по оси Z ОР 1.

Пусть по трубопроводу протекает жидкость с ферромагнитными частицами с концентрацией C₀. При изменении напряженности поля подмагничивания от H_min до H_max происходит перестройка ОР. Частота f_в колебания H₀₁₁ цилиндрического ОР при помещении внутрь магнитодиэлектрика без учета диэлектрических свойств дисперсной системы имеет вид:

где

f_п, f_в-частоты колебания H₀₁₁ пустого и "возмущенного" ОР;
C - относительная объемная концентрация ФМ частиц;
g=3,832/а;
J₁(gr)-функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка;
μ_a(H) - "информационный" параметр магнитной проницаемости феррочастиц;
диагональный компонент тензора магнитной проницаемости;
k₁ - или компонент тензора;
μ_o- магнитная проницаемость вакуума.

При f₁=f_в сигнал через приемную петлю 8, реле 19, АД 11, АЦП 12 поступает в микропроцессор 13, в которым фиксируется код N_i0, соответствующий току I₀, величине поля подмагничивания H₀ и, следовательно, значению μ_a(H_o) "информационного" параметра (1).

При изменении концентрации ферромагнитных частиц от C₀ до C₁ равенство f₁=f_в достигается при коде N_i микропроцессора 13. Цепь регулирования по аналогии:
C₁→ N_i→ I₁→ H₁→ μ_a(H₁).
Таким образом, изменение концентрации феррочастиц в данном цикле компенсируется изменением величины "информационного" параметра μ_a(H) тензора магнитной проницаемости феррочастиц, а код N_i микропроцессора 13 является мерой концентрации.

"Информационный" параметр μ_a(H), как видно из (1), зависит от компонентов тензора магнитной проницаемости феррита и функционально связан с частотой электромагнитной волны, намагниченностью насыщения, напряженностью постоянного магнитного поля, формой образца феррита. При работе в зоне "А" μ_a(H) изменяется примерно от 0,8 до 0 и магнитными потерями можно принебречь (см. Микаэлян А. Л. Теория и применение ферритов на СВЧ. -М: ГЭИ, 1963, с. 37-48.

Конструктивная особенность трубопровода (фиг. 2а), а также постоянство f_в при вариации объемной концентрации C (1) приводит к следующему виду статической характеристики:
μ_a(H)/μ_o= C/(C+ξ), (2)
где
ξ - постоянная, зависящая от исходных значений C и μ_a(H).
На фиг. 3 показаны зависимости величины постоянного магнитного поля H (легко пересчитываемая в ток соленоида 10) от объемной концентрации С ФМ частиц феррита марки 1СЧ с величиной индукции насыщения B_нас=0,47 Тл в эпоксидной смоле для двух частот 2,5 и 5 ГГц: 1,2 - теоретические зависимости, построенные по (2) для ξ = 0,4; 3,4 - экспериментальные кривые (b=0,02 m; d= 0,025 m). Из графиков видно, что с ростом частоты растет чувствительность, однако, при этом увеличивается величина поля H, что вызывает рост габаритов катушки или самого тока подмагничивания. Появление методической погрешности Δ₁ обусловлено эффектом размагничивания образца, зависящим от формы феррочастиц, Δ₂- зависимость диэлектрической проницаемости e от С. Данные методические погрешности Δ₁ и Δ₂ легко устраняются тарировкой на модельной жидкости (см. выше).

Во втором цикле выход генератора 3 через демультиплексор 4 соединяется с полой металлической трубкой 6 для возбуждения колебания E₀₁₀, частота генератора 3 постоянна и равна f₂. Выход приемной петли 9 подключается, а петли 8 отключается посредством мультиплексора 10 от входа АД 11.

Из фиг. 2 а, г, д видно, что СВЧ-феррит находится в зоне максимального значения радиальной составляющей H_ϕ магнитного поля, а трубопровод - в зоне максимального значения аксиальной составляющей E_z электрического поля и минимального значения радиальной магнитной составляющей H_ϕ колебания E₀₁₀. Как и в первом цикле управления током УИТ 15 через ЦАП 14 осуществляется кодом микропроцессора 13. Ток I', протекающий по соленоиду 10, создает магнитное поле В этом цикле изменение диэлектрической проницаемости феррожидкости ε компенсируется изменением величины диагонального компонента тензора магнитной проницаемости тороидального компенсационного СВЧ-феррита 7.

При изменении напряженности поля подмагничивания от до происходит перестройка частоты колебания E₀₁₀ цилиндрического ОР. При равенстве сигнал частоты через приемную петлю 9 реле 20, АД 11, ЦАП 12 поступает в микропроцессор 13, в котором фиксируется код N_j, соответствующий текущей диэлектрической проницаемости ε феррожидкости. Цепь регулирования организуется последовательностью:

Зависимость диагонального компонента тензора магнитной проницаемости СВЧ-феррита от диэлектрической проницаемости при этом имеет вид;


где
где k = (a²/2-r2o

/2)•J21(2,405);

m₁= ε_o[a²•J21(2,405)/2-b²•J21(b•2,405/a)/2];
ε_и, ε - исходное и текущее значения диэлектрической проницаемости ФМЖ; ε_o- вакуума; исходное и текущее значения диагонального компонента; μ_o- магнитная проницаемость вакуума; а-радиус ОР; b-трубопровода; r₀- расстояние от оси z до СВЧ-феррита; J₁ (...)-функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка.

Увеличение толщины (фиг. 2а) компенсационного феррита до Δ ≈ 0,2-0,4 обеспечивает возможность работы в двух описанных выше циклах на одной частоте (f₁-f₂), что упрощает генератор СВЧ 3 однако, при этом растет погрешность определения концентрации феррочастиц жидких магнитодиэлектриков из-за влияния СВЧ-феррита на частоту f_в колебания H₀₁₁ при изменении поля подмагничивания.

При контроле жидкости без феррочастиц (как это делается в прототипе) повышение точности определения плотности по изменению диэлектрической проницаемости достигается постоянством частоты f₂ генератора СВЧ 4, что устраняет влияние дисперсии диэлектрической проницаемости от частоты на точность определения плотности.

Нагруженная добротность при равенстве f₂ частоты генератора СВЧ 4 и частоты нагруженной системы (см. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн.-М.:Наука, 1989, с. 299-303).

где
M, N, F -постоянные коэффициенты, зависящие от потерь в стенках ОР, ввода-вывода энергии, размеров трубопровода.

Мерой добротности Q (γ) в предложенном устройстве является полоса пропускания ОР при возбуждении в нем колебания E₀₁₀, т.е. разность:
N_j - N_j ^0,5,
где
N_j - код микропроцессора 13, соответствующий текущей дизлектрической проницаемости ε (выходная мощность петли 9: Р_вых ≈ Q γ • Р_вых); N_j ^0,5 - код микропроцессора 13, при котором на выходе приемной метли 9 - мощность сигнала равна половинной мощности при резонансе (P_вых ^0,5 = 0,5 • Р_вх, см выше).

Таким образом, по сравнению с прототипом утсройство наряду с определением плотности жидкости позволяет определить комплекс параметров жидких магнитодиэлектриков: концентрацию феррочастиц, диэлектрическую проницаемость и электропроводность дисперсной системы, что доказывает эффективность предложенного устройства.

При определении плотности жидкости без феррочастиц повышение точности достигается постоянством частоты генератора, которое устраняет дисперсию диэлектрической проницаемости от частоты (она существенно зависит от меняющейся частоты для сред с потерями; см. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984, с. 393-402), а также стабильностью частоты генератора, точность установки которой в стабилизированном генераторе примерно на 2 порядка выше, чем в перестраиваемом (как в прототипе).

Устройство предназначено для определения параметров жидких магнитодиэлектриков и может найти применение при контроле процессов производства магнитных носителей информации, в прозводстве спецпокрытий летательных аппаратов, ферритовых устройств техники СВЧ и т.д. Устройство для определения параметров жидких магнитодиэлектриков содержит цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, генератор СВЧ, демультиплексор, вход которого соединен с выходом генератора СВЧ ,а выходы соединены с полой металлической тубкой, надетой на трубопровод, для возбуждения колебания Е₀₁₀ в цилиндрическом объемном резонаторе и с возбуждающей петлей колебаний H₀₁₁ объем твердого компенсационного СВЧ- феррита расположен посередине длины и у боковой стенки цилиндрического объемного резонатора и представляет собой тороид с прямоугольным сечением, аксиально расположенный относительно оси, две приемные петли, расположеные во взаимно перпендикулярных плоскостях, для приема энергии колебаний Е₀₁₀ и H₀₁₁ через мультиплексор, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь соединены с информационным входом микропроцессора, управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами демультиплексора, мультиплексора и генератора СВЧ, а информационный выход микропроцессора через цифроаналоговый преобразователь подключен к управляемому источнику тока, который нагружен на соленоид, намотанный на боковую стенку объемного резонатора, для создания постоянного магнитного поля, направленного по оси объемного резонатора. Трубопровод может быть выполнен в виде специальной формы: меньший диаметр в середине длины и больший - у торцевых стенок объемного резонатора. Технический результат: расширение функциональных возможностей и повышение точности определения плотности жидкости. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для определения параметров жидких магнитодиэлектриков, содержащее цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью и генератор СВЧ, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит демультиплексор, вход которого соединен с выходом генератора СВЧ, а выходы соединены с полой металлической трубкой, надетой на трубопровод, для возбуждения колебания Е₀₁₀ в цилиндрическом объемном резонаторе и с возбуждающей петлей колебания Н₀₁₁, объем твердого компенсационного СВЧ-феррита расположен посередине длины и у боковой стенки цилиндрического объемного резонатора и представляет собой тороид с прямоугольным сечением, аксиально расположенный относительно оси, две приемные петли, расположенные во взаимно перпендикулярных плоскостях, для приема энергии колебаний Е₀₁₀ и Н₀₁₁ через мультиплексор, амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь соединены с информационным входом микропроцессора, управляющие выходы которого соединены с соответствующими входами демультиплексора, мультиплексора и генератора СВЧ, а информационный выход микропроцессора через цифроаналоговый преобразователь подключен к управляемому источнику тока, который нагружен на соленоид, намотанный на боковую стенку объемного резонатора, для создания постоянного магнитного поля, направленного по оси объемного резонатора. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубопровод выполнен в виде специальной формы: меньший диаметр в середине длины и больший - у торцевых стенок объемного резонатора.