СВЧ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ Российский патент 2002 года по МПК G01N15/06 H01P1/32 

Изобретение относится к способам измерения концентрации дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц в жидкости в процессе производства изделий из ферромагнитных материалов, например ферритов и магнитодиэлектриков, в химической и других областях промышленности.

Известен способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, принятый за прототип, включающий помещение сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение бегущей волны. Причем падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости, измеряют длину пути излучения в жидкости, угол поворота плоскости поляризации прошедшего излучения и по измеренным величинам судят о концентрации ферромагнитных частиц (см. Абраров А.Т., Дмитриев Д.А., Соколов Ю.Ф. Способ измерения концентрации ферромагнитных частиц. А.с. 924557, кл. G 01 N 15/00, БИ 16, 30.04.82).

Недостатком известного способа является малая точность и технологические трудности измерения угла поворота плоскости поляризации в функции измеряемой объемной концентрации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

Сущность изобретения заключается в том, что в одном из плеч волноводного тройника (плечо 1), расположенного в Н-плоскости (см. фиг.1), с тройственной симметрией возбуждают волну Н₁₀. По центру тройника нормально его плоскости по диэлектрическому сосуду пропускают ферромагнитную жидкость, вдоль оси сосуда прикладывают квазипостоянное, нормальное к направлению распространения волны, управляемое по величине магнитное поле Н_о, величину которого изменяют так, что угол поворота дифракционной картины ϕ_д, зависящий от концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, остается постоянным и обеспечивает максимум выходной мощности одного из плеч, например 2, а о концентрации судят по величине Н_о (I_о) индицируемой по максимуму выходной мощности; далее производят реверс величины Н_о путем изменения направления вектора Н_о при равенстве его величины. Изменяя величину Н_о, находят максимум выходной мощности другого плеча, например 3. Значения Н_о разных направлений усредняются и по среднему значению Н_о (I_о) определяют концентрацию ферромагнитных частиц в жидкости.

Сущность способа измерения концентрации ферромагнитных частиц поясняется следующим. Из теории электродинамического подобия известно, что 1 < n = f₁/f₂ = λ₂/λ₁ = a₂/a₁, где а - линейный размер системы. Таким образом, уменьшение габаритов измерительных волноводов можно достичь, уменьшая величину λ_г, пропорционально величине характерного размера прямоугольного волновода или радиуса круглого. При этом практически пропорционально уменьшению а растет характерное значение поля подмагничивания, сопровождаемое соответствующим увеличением размеров магнитной системы согласно гиромагнитному соотношению ω = k_гH_o, или λ = 2π/k_гH_o. Таким образом, интегральная минимизация массогабаритных величин концентратомеров ФМЖ является непростой задачей, осложняемой необходимостью размещения в волноводе устройств ввода-вывода ферромагнитной жидкости и выбора оптимального размера зоны взаимодействия жидкости с полем бегущей волны. В любом случае желательны небольшие поля H_о, минимально возможная λ_г и соответственно сечение волновода с простейшим устройством ввода-вывода проточной ферромагнитной жидкости, предпочтительно через круглый гладкий трубопровод.

Схема измерения концентрации ферромагнитнитных частиц в жидкости на волноводном Y-циркуляторе показана на фиг.1 (рабочая длина волны λ_г = 1см (а•в= 0,2 см²)) и представляет собой соединенный в Н-плоскости волноводный симметричный Y-тройник с тремя плечами 1, 2, 3 с полем подмагничивания (поперечного) H_о.

Поле создается двумя согласно подключенными обмотками соленоидов 5 через Кл. 1 и Кл.2, подключенными к управляемому источнику тока УИТ. Вдоль вертикальной оси симметрии расположен диэлектрический сосуд с ферромагнитной жидкостью (внутренний диаметр равен 0,003м). Диэлектрический сосуд также способствует расширению полосы рабочих частот - выполняет роль диэлектрического трансформатора. (Вамберский М. В. , Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Высшая школа,1984). Излучение через круглые щели ввода и вывода ферромагнитной жидкости при этом практически отсутствует. Наиболее наглядно принцип способа измерения можно объяснить явлением углового поворота картины дифракции плоской электромагнитной волны на круглом цилиндре ферромагнитной жидкости. При этом распределение электрического поля на внешней поверхности цилиндра, обусловленное суммой падающей и рассеянной волн, зависит от его геометрических размеров и электрических параметров (μ = f(H_o)) (Вамберский М.В., Казанцев В. И., Шедукин С. А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Высшая школа, 1984). При определенных значениях этих параметров в случае ненамагниченной ферромагнитной жидкости (диэлектрика) дифракционная картина поля имеет вид, показанный на фиг.2а.

Это распределение можно рассматривать как суперпозицию двух азимутальных пространственных гармоник с равными амплитудами, распространяющимися по поверхности цилиндра в противоположных направлениях. Когда к цилиндру с ферромагнитной жидкостью приложено внешнее поле Н_о>0, фазовые отношения между этими гармониками меняются и узлы дифракционной картины поля поворачиваются на определенный угол (на фиг.2б этот оптимальный угол равен 60^o). Т. к. этот угол ϕ_д (угол поворота дифракционной картины) зависит от величины концентрации ферромаггнитных частиц С_v и поля подмагничивания H_о: ϕ_д = f[μ(C_v,H_o)] = π/3, то его стабилизация позволяет по току подмагничивания l_о судить о величине С_v.

При величинах С_v и Н_о, обеспечивающих постоянство: ϕ_д = π/3, один из узлов располагается по центру изолированного плеча 3 (фиг.2б). При этом распределение электрического поля, возбуждающего это плечо, соответствует не распространяющейся в нем волне Н₂₀. В центрах входного 1 и выходного плеч 2 амплитуды электрического поля практически равны (без учета поглощения энергии ферромагнитной жидкости) и между ними происходит передача энергии с малыми потерями.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкости с ферромагнитными частицами, минимизации габаритов и массы измерителя, упрощении устройств ввода и вывода ферромагнитной жидкости в зону взаимодействия с полем бегущей волны.

Изобретение относится к способам измерения концентрации дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц в жидкости в процессе производства изделий из ферромагнитных материалов в химической и других областях промышленности. Техническим результатом - изобретения является повышение точности измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. В одном из плеч волноводного тройника, расположенного в Н-плоскости с тройственной симметрией, возбуждают волну Н₁₀. По центру тройника нормально его плоскости по диэлектрическому сосуду пропускают ферромагнитную жидкость. Вдоль оси сосуда прикладывают квазипостоянное, нормальное к направлению распространения волны, управляемое по величине магнитное поле Н_О, величину которого изменяют так, что угол поворота дифракционной картины ϕ_д, зависящий от концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, остается постоянным и обеспечивает максимум выходной мощности одного из выходного плеч. Далее производят реверс направления при равенстве величин поля подмагничивания. Находят максимум выходной мощности другого выходного плеча. Значения полей подмагничивания разных направлений усредняются и по среднему их значению судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. 2 ил.

СВЧ - способ измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, включающий помещение диэлектрического сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию измерения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что диэлектрический сосуд с ферромагнитной жидкостью помещают по центру соединенного в Н-плоскости волноводного симметричного Y-тройника нормально его плоскости, вдоль оси диэлектрического сосуда прикладывают постоянное, нормальное направлению распространения волны, управляемое по величине и направлению магнитное поле Н_о, которое стабилизируют по моменту максимума выходной мощности первого выходного плеча Y-тройника; производят реверс направления вектора Н_о; изменением направления вектора Н_о при равенстве его величины находят максимум выходной мощности второго выходного плеча и по среднему значению величины Н_о разных направлений судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.