СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ЖИДКОСТИ Российский патент 2001 года по МПК G01N15/06 G01N27/72 G01N22/00 

Предлагаемое 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, в частности, при контроле горюче-смазочных материалов на содержание металлических феррочастиц.

Известен способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости (см. Наумов А.А., Черняк В.В. Портативный измеритель концентрации магнитной суспензии. Дефектоскопия 1971, N 2, с. 124), 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 (см. авт.св. СССР N 924557, кл. G 01 N 15/00, 1982 г., Б.И. N 16), который заключается в том, что помещают объем с жидкостью в линейно-поляризованное 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 линейно-поляризованной ЭМ волной еще и отраженной волны, так как трудно обеспечить режим согласования (коэффициент бегущей волны не равен единице).

За прототип принят способ (см. патент N 2084887 от 20.07.97 /Д.А. Дмитриев, М.А. Суслин, И.В. Кораблев, Б.И. Герасимов/ Способ измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости), который заключается в том, что фиксированный объем с жидкостью помещают в линейно-поляризованное электромагнитное и постоянное магнитные поля, объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают аксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего полого цилиндра, в резонаторе возбуждают колебания H_11p, где p - число полуволн, укладывающихся по длине резонатора, направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, определяют два значения расщепленной собственной резонансной частоты и по их разности судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

Недостатком способа являются то, что в области малых концентраций измеряемое ее значение становится соизмеримым с порогом чувствительности, равному такому изменению концентрации, при котором происходит расстройка, равная удвоенной полосе пропускания нагруженной резонансной системы.

Предлагаемое изобретение направлено на повышение точности и чувствительности измерения концентрации ФМЧ в жидкости в области малых концентраций.

Это достигается тем, что в способе определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, заключающемся в том, что фиксированный объем с жидкостью помещают в линейно-поляризованное электромагнитное и постоянное магнитное поля, объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают аксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего полого цилиндра, направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, дополнительно определяют резонанс колебания H₁₁₁ без поля подмагничивания и измеряют нагруженную добротность резонатора, создают постоянное магнитное поле, соответствующее продольному феррорезонансу, с последующим измерением нагруженной добротности объемного резонатора, концентрацию определяют как разность обратных величин нагруженных добротностей без и с полем подмагничивания соответственно.

На чертеже представлена схема реализации предлагаемого способа.

Если в цилиндрическом объемном резонаторе (ОР) 1 с аксиальным расположением исследуемой жидкости с ФМ частицами 2 возбудить колебание H₁₁₁, а величину постоянного поля подмагничивания H₀, создаваемого током соленоида 3, выбрать равной продольному феррорезонансу
(1)
где ω_p- резонансная циклическая частота настройки колебания H₁₁₁ OP; γ₀=2.25·10⁵ м/А·с - гиромагнитное отношение, то резонансная частота колебания H₁₁₁ не расщепляется на две частоты f_- и f₊ (см. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на СВЧ, ГЭИ, 1963, с.137), а определяется геометрическими размерами OP, диэлектрическими свойствами и размерами объема жидкости с ФМЧ. Это объясняется ходом кривых компонентов тензора магнитной проницаемости феррита при H_рез = H₀, а именно равенство действительных эффективных магнитных проницаемостей для право- и левополяризованных по кругу волн μ₊и μ_- магнитной проницаемости вакуума μ₀:
μ₊=μ′+k′=μ_-=μ′-k′=μ_0, (2)
при этом мнимые части, характеризующие резонансные потери, определяются выражениями:
(3)
(см. Микаэлян А.Л. Теория и применение ферритов на СВЧ, ГЭИ, 1963, с.). Следствием (2) является равенство возмущенных резонансных частот колебания H₁₁₁ цилиндрического OP без и с полем (1) подмагничивания.

Парциальная добротность Q_п, вызванная потерями на феррорезонанс (поддержание прецессионного движения электронов), равна:
(4)
где ΔH- ширина полосы феррорезонанса в А/М; А - намагниченность насыщения феррита в Тл; C - объемная концентрация, %; ω- резонансная частота колебания H₁₁₁; W_зап - запасенная энергия электрического поля пустого OP; P_рез - мощность потерь на феррорезонанс в ФМ частицах.

Общая нагруженная добротность резонатора Q:
Q = (Q_п · Q_о)/ (Q_п + Q_o), (5)
где Q_о - добротность, обусловленная потерями энергии на ее ввод-вывод, в стенках OP и омическими потерями в жидкости с феррочастицами.

Основным фактором погрешности определения концентрации является случайное варьирование электропроводности магнитной суспензии и потерь в резонаторе. Он устраняется следующим образом. Определяются коэффициенты затухания колебания H₁₁₁ при H₀=0 и H₀ = H_рез:


тогда их разность
не зависит от потерь на ввод-вывод ЭМ энергии (P_вв,выв), в стенках резонатора (P_ст) и омических потерь магнитной суспензии P_γ, а определяется только потерями на феррорезонанс P_рез. В этом случае статическая характеристика - это выражение (4).

Способ определения концентрации ФМ частиц заключается в следующем: в цилиндрическом OP аксиально помещают исследуемую жидкость с феррочастицами, определяют резонанс колебания H₁₁₁ без поля подмагничивания и измеряют нагруженную добротность резонатора, по оси резонатора создают постоянное магнитное поле, соответствующее продольному феррорезонансу, с последующим измерением нагруженной добротности OP, концентрацию определяют как разность обратных величин нагруженных добротностей без и с полем подмагничивания соответственно.

Сравним метрологические характеристики предлагаемого способа и прототипа.

Если в качестве примера в прототипе выбрать r₁ = 0,2 · r₀,

то изменение концентрации на 0,8% вызывает изменение разности расщепленных частот f₊ - f_- на величину, равную удвоенной полосе пропускания нагруженной колебательной системы.

Определим методическую погрешность предлагаемого способа, обусловленную измерением резонансной частоты колебания H₁₁₁ за счет варьирования концентрации, по следующей формуле:
(6)
где Q(ω) и Q(ω₀)- нагруженные добротности для частот ω возмущенного и ω₀ пустого резонаторов. В диапазоне C = 1-10% для после подстановки (5) в (6) относительная методическая погрешность не превышает 3%. В погрешность определения концентрации следует добавить погрешность определения нагруженной добротности ≈ 2-5%. Тогда как в прототипе только относительно методическая погрешность при концентрации C=1% - не менее 80% и уменьшается до 8% для C=10%.

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, в частности, при контроле горюче-смазочных материалов на содержание металлических феррочастиц. Технический результат - повышение точности и чувствительности измерения концентрации ФМЧ в жидкости в области малых концентраций. Сущность изобретения: фиксированный объем с жидкостью помещают в линейно-поляризованное электромагнитное и постоянное магнитные поля, объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают аксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего полого цилиндра. Направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, определяют резонанс колебания Н₁₁₁ без поля подмагничивания и измеряют нагруженную добротность резонатора. Создают постоянное магнитное поле, соответствующее продольному феррорезонансу, с последующим измерением нагруженной добротности объемого резонатора. Концентрацию определяют как разность обратных величин нагруженных добротностей без и с полем подмагничивания соответственно. 1 ил.

Способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, заключающийся в том, что фиксированный объем с жидкостью помещают в линейно-поляризованное электромагнитное и постоянное магнитное поля, объем жидкости с ферромагнитными частицами располагают аксиально в цилиндрическом резонаторе в виде замкнутого проводящего полого цилиндра, направление постоянного магнитного поля совмещают с осью цилиндрического резонатора, отличающийся тем, что определяют резонанс колебания Н₁₁₁ без поля подмагничивания и измеряют нагруженную добротность резонатора, создают постоянное магнитное поле, соответствующее продольному феррорезонансу, с последующим измерением нагруженной добротности объемного резонатора, концентрацию определяют как разность обратных величин нагруженных добротностей без и с полем подмагничивания соответственно.