СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ В ЖИДКОМ НОСИТЕЛЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N15/06 

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

Известен способ определения концентрации ФМЧ в жидкости [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 N 16 от 30.04.82 г.], 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 ФМЧ.

Недостатком способа является малая точность и технологические трудности измерения угла поворота плоскости поляризации в функции измеряемой объемной концентрации и погрешность измерений, связанная с изменением величины магнитной восприимчивости, характеризующей химический состав ФМЧ, зависимость угла поворота плоскости поляризации от изменяющейся диэлектрической проницаемости ферромагнитной жидкости.

Известно устройство для измерения концентрации ФМЧ в жидкости [см. Дмитриев Д.А., Суслин М.А., Степаненко И.Т., Федюнин П.А. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. Патент РФ №2090860 от 20.09.98 г.]. В этом устройстве реализуется способ измерения концентрации ФМЧ по углу поворота плоскости поляризации, оптимальная величина которого стабилизируется изменением величины постоянного магнитного поля, служащей мерой концентрации ФМЧ.

К недостаткам этого устройства следует отнести наличие жидкости непосредственно в волноводе, что сопровождается трудностями ввода и вывода, наличием застойных явлений в сосуде с жидкостью, излучением через устройства ввода-вывода ФМЖ, а также громоздкостью самого устройства и магнитной системы.

Известен принятый за прототип СВЧ-способ определения концентрации ФМЧ [см. Федюнин П.А., Суслин М.А., Дмитриев Д.А. и др. СВЧ-способ определения концентрации ферромагнитных частиц. Патент РФ №2182327 от 10.05.02 г.]. О концентрации ФМЧ в жидкости судят по среднему значению величины постоянного магнитного поля Н₀, создаваемого соленоидом подмагничивания для стабилизации оптимального угла поворота дифракционной картины поля бегущей волны, прошедшей через диэлектрический сосуд с ФМЖ, расположенный по центру соединенного в Н-плоскости волноводного Y-тройника нормально его плоскости.

Недостатком данного способа является малая точность измерения концентрации ФМЧ в жидкости, обусловленная изменением их магнитной восприимчивости.

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

Сущность изобретения состоит в том, что в СВЧ-способе определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, включающем помещение диэлектрического трубопровода с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, диэлектрический трубопровод с исследуемой ферромагнитной жидкостью помещают в отрезок круглого волновода, где устройством возбуждения в виде штыря возбуждают волну Н₁₁, через волноводно-коаксиальный переход в одном из плеч соединенного в Н-плоскости волноводного Y-тройника с помощью второго возбуждающего штыря последовательно возбуждают волну Н₁₀ и производят измерение концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости; включают ток соленоида подмагничивания отрезка круглого волновода, падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости и увеличивают напряженность постоянного магнитного поля до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся, по максимальному углу поворота вектора электрического поля линейно поляризованной волны определяют диэлектрическую проницаемость смеси, а по току подмагничивания определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц и магнитную проницаемость смеси и вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости в измерение концентрации ферромагнитных частиц.

Сущность предлагаемого СВЧ-способа определения концентрации ферромагнитных частиц поясняется следующим. На чертеже представлена схема измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. С помощью устройства возбуждения, представляющего собой штырь 1, в отрезке круглого волновода 2 с симметрично расположенным диэлектрическим трубопроводом 3, заполненным исследуемой ферромагнитной жидкостью, возбуждается волна Н₁₁. В начальный момент времени постоянное магнитное поле Н_оф, создаваемое соленоидом подмагничивания 4 отрезка круглого волновода, отсутствует. Через волноводно-коаксиальный переход 5, которым заканчивается отрезок круглого волновода, посредством устройства возбуждения 6 в первом плече соединенного в Н-плоскости волноводного Y-тройника 7 последовательно возбуждается волна h₁₀. Диэлектрический трубопровод с исследуемой ферромагнитной жидкостью, проходящий через отрезок круглого волновода, расположен в центре волноводного Y-тройника нормально его плоскости. Вдоль оси диэлектрического трубопровода, проходящего через Y-тройник, соленоидом обмотки подмагничивания 8 создается постоянное, нормальное направлению распространения волны Н₁₀ и управляемое по величине и направлению магнитное поле Н_0<. Поле подмагничивания Н_0< стабилизируют по моменту максимума выходной мощности первого выходного плеча 9 Y-тройника, что соответствует оптимальному углу поворота дифракционной картины поля бегущей волны. Производят реверс направления вектора Н_0<. Изменением направления вектора H_0< при равенстве его величины находят максимум выходной мощности второго выходного плеча 10 и по среднему значению величины Н_0< разных направлений судят о концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

В Y-тройнике эффект поворота дифракционной картины поля бегущей волны и его стабилизируемый угол поворота θ=π/3 инвариантны изменению величины диэлектрической проницаемости ферромагнитной жидкости, в отличии от других эффектов, например эффекта Фарадея. Это обусловлено тем, что:

1. величина зоны взаимодействия волны с намагниченной ферромагнитной жидкостью в Y-тройнике много меньше, чем длина зоны взаимодействия поля бегущей волны в круглом волноводе при проявлении эффекта Фарадея и много меньше длины волны λ_r,

2. при отсутствии поля подмагничивания диэлектрического трубопровода в Y-тройнике Н_0<=0 вне зависимости от значения величины диэлектрической проницаемости смеси ε_см и концентрации С величины μ⁺ и μ^- равны единице, энергия бегущей волны в выходных плечах Y-тройника делится пополам или должна быть установлена равной из-за неравенства геометрии выходных плеч тройника.

Для волноводного Y-тройника считаем ≈0 и угол поворота дифракционной картины поля бегущей волны инвариантен величине диэлектрической проницаемости ферромагнитной жидкости. [Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В.Вамберского. - М.: Высшая школа, 1984.]

Угол поворота дифракционной картины поля бегущей волны в волноводном Y-тройнике θ_< зависит от геометрических размеров трубопровода и волноводной системы, а также электрофизических параметров ФМЧ:

где μ_см - относительная магнитная проницаемость смеси ферромагнитных частиц и жидкости-носителя.

a, b, d - геометрические размеры прямоугольного волновода и диаметр трубопровода соответственно,

μ⊥ - относительная магнитная проницаемость поперечно (перпендикулярно направлению распространения электромагнитной волны) намагниченного феррита;

С - концентрации ферромагнитных частиц в жидкости носителе;

Н_0< - величина поля подмагничивания диэлектрического трубопровода, проходящего через Y-тройник;

χ - магнитная восприимчивость ферромагнитных частиц;

μ^-; μ⁺ - относительные магнитные проницаемости ферромагнитной жидкости для левополяризованной и правополяризованной волн.

Из (1) видно, что изменение величины магнитной восприимчивости χ, характеризующей химический состав ферромагнитных частиц в жидкости, является основным источником погрешности определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

Коррекцию измерения концентрации на вариацию магнитной восприимчивости ФМЧ производят следующим образом. Включают ток соленоида подмагничивания отрезка круглого волновода, падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости и увеличивают напряженность постоянного магнитного поля Н_оф до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся. Для случая, когда радиусы волновода и диэлектрического трубопровода равны, а’=b’, существует круговая вращающаяся поляризация, а при а’>b’ - эллиптически вращающаяся. Угол поворота θ_ф вектора электрического поля линейно поляризованной волны для случая а’=b’ имеет вид

где ε_см - диэлектрическую проницаемость смеси;

μ-см

; μ+см - относительные магнитные проницаемости смеси ферромагнитных частиц и жидкости-носителя для лево- и правополяризованных волн.

При увеличении величины Н_оф до граничного значения Н_оф=Н_ог произойдет процесс изменения поляризации выходной волны от линейной к круговой, т.к. при Н_ог - μ+см

= 0 и правополяризованная волна вытесняется из объема ФМЖ, быстро ослабляясь или поглощаясь в поверхностном слое. Через ФМЖ проходит волна с μ-см=1 с вращающейся поляризацией. В момент смены поляризации угол поворота вектора Е - максимальный и равен:

По максимальному углу поворота вектора электрического поля Е линейно поляризованной волны определяют диэлектрическую проницаемость смеси ε_см, либо среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость ε_cp в случае, когда a’>b’.

Момент перехода поляризации индицируется с помощью двух приемных ортогонально расположенных вибраторов 8 по нулевой разности токов, при этом на выходе симметричного Y-тройника мощность равна нулю, так как в прямоугольном волноводе электромагнитная волна с эллиптической или круговой вращающейся поляризацией не распространяется. Определяется величина граничного тока I_г, прямо пропорциональная величине χ, не зависящей от концентрации и определяемой только химическим составом (видом) ферромагнитных частиц. Рассчитав величину магнитной восприимчивости χ, определяют магнитную проницаемость смеси:

и вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости в измерение концентрации ФМЧ.

Технико-экономический эффект от использования предлагаемого изобретения заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкостей с ферромагнитными частицами и ферромагнитных изделий за счет повышения точности измерения концентрации.

Использование: для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц в жидкости в процессе производства изделий из ферромагнитных материалов в химической и других областях промышленности. Сущность: помещают диэлектрический трубопровод с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и регистрируют изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение. Диэлектрический трубопровод с исследуемой ферромагнитной жидкостью помещают в отрезок круглого волновода, где устройством возбуждения в виде штыря возбуждают волну Н₁₁. Через волноводно-коаксиальный переход в одном из плеч соединенного в Н-плоскости волноводного Y-тройника с помощью второго возбуждающего штыря последовательно возбуждают волну Н₁₀ и производят измерение концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости. Включают ток соленоида подмагничивания отрезка круглого волновода, падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости и увеличивают напряженность постоянного магнитного поля до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся. По максимальному углу поворота вектора электрического поля линейно поляризованной волны определяют диэлектрическую проницаемость смеси, а по току подмагничивания определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц и магнитную проницаемость смеси и вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости в измерение концентрации ферромагнитных частиц. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации ферромагнитных частиц. 1 ил.

СВЧ-способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, включающий помещение диэлектрического трубопровода с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что диэлектрический трубопровод с исследуемой ферромагнитной жидкостью помещают в отрезок круглого волновода, где устройством возбуждения в виде штыря возбуждают волну Н₁₁, через волноводно-коаксиальный переход в одном из плеч соединенного в Н-плоскости волноводного Y-тройника с помощью второго возбуждающего штыря последовательно возбуждают волну Н₁₀ и производят измерение концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости; включают ток соленоида подмагничивания отрезка круглого волновода, падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости и увеличивают напряженность постоянного магнитного поля до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся, по максимальному углу поворота вектора электрического поля линейно поляризованной волны определяют диэлектрическую проницаемость смеси, а по току подмагничивания определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц и магнитную проницаемость смеси и вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости в измерение концентрации ферромагнитных частиц.