СВЧ-метод и устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ферромагнитных жидкостей тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Котов, Илья Олегович

• Котов, Илья Олегович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Котов, Илья Олегович

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Ферромагнитные жидкости и их применение

1.2 Гиромагнитные свойства намагниченных ферромагнитных

14

жидкостей

1.3 Методы и устройства контроля параметров ферромагнитных

18

жидкостей

1.4 Постановка задачи исследования

2. ТЕОРЕТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

2.1 Анализ условий распространения волны в круглом волноводе в зависимости от параметров заполняющей среды, выбор информативных параметров

2.2 Анализ возможностей контроля параметров ферромагнитной жидких сред с помощью устройств, реализованных на базе

48

круглого волновода

3. МЕТОД КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

3.1 Описание СВЧ-метода контроля параметров ферромагнитных

63

жидкостей

3.2 Оценка влияния материала стенок диэлектрического сосуда на

67

результат измерении

3.3 Оценка влияния материала стенок волновода на результат

измерении

4 УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

4.1 Описание устройства контроля параметров ферромагнитных

73

жидкостей

4.2 Расчёт геометрических параметров элементов волноводной

линии передачи

4.3 Создание методики проектирования волноводного тракта

5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЧ-МЕТОДА КОНТРОЛЯ

ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

4.1 Анализ погрешности измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ

5.2 Анализ погрешности измерения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ферромагнитных жидкостей

5.3 Анализ погрешности измерения объёмной концентрации ферромагнитных жидкостей

5.4 Анализ погрешности измерения магнитной восприимчивости ферромагнитных частиц

5.5 Результаты экспериментальной проверки метода и устройства контроля электрофизических параметров ферромагнитных жидкостей

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

- длина волны СВЧ-генератора, м;

- критическая длина волны Ни (основная для круглого волновода), м. 8'см - относительная диэлектрическая проницаемость ферромагнитной жидкости (действительная часть);

8-см _ относительная диэлектрическая проницаемость ферромагнитной жидкости (мнимая часть);

с'ср - средняя по зоне взаимодействия диэлектрическая проницаемость заполняющей волновод среды

Ьд - толщина стенок диэлектрической ячейки, м;

8Д - относительная диэлектрическая проницаемость материала стенок диэлектрической ячейки;

Ь - внешний радиус диэлектрического сосуда, м. а - внутренний радиус волновода, м;

- внутренний радиус волновода большего диаметра, м; а2 - внутренний радиус волновода меньшего диаметра, м; а2- коэффициент затухания, Дб/м;

Ь - длина диэлектрического сосуда, м;

К2 - коэффициент пропорциональности, учитывающий частичное заполнение волновода ферромагнитной жидкостью при расчёте а2; со - круговая частота генератора, рад/с. £0 -8,85x10"12 Ф/м - электрическая постоянная;

1,25x10"8 Гн/м - магнитная постоянная; ]() 1 _ функции Бесселя первого рода 0-го и 1-го порядка соответственно; 1Г - граничное значение тока подмагничивания, соответствующее смене вида поляризации волны с линейной на круговою, А; к! - число витков на единицу длины соленоида, м" ;

1П0Д - значение тока в соленоиде подмагничивания, соответствующее углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны 0=71/4, А;

средняя по зоне взаимодействия относительная магнитная проницаемость

заполняющей среды для правополяризованной электромагнитной волны;

относительная магнитная проницаемость ферромагнитной жидкости для правополяризованной электромагнитной волны.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «СВЧ-метод и устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ферромагнитных жидкостей»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Ферромагнитные жидкости (ФМЖ) представляют собой коллоидные растворы, состоящие из ферромагнитных частиц (ФМЧ) нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости (носителе), в качестве которой обычно выступает органический растворитель. Благодаря особым магнитным свойствам ФМЖ находят широкое применение при производстве радиопоглощающих покрытий, специальных композиционных материалов, смазочных материалов, различных оптических приборов и др.

В процессе производства и эксплуатации ФМЖ возникает необходимость контроля их электрофизических параметров, важнейшими из которых являются диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также концентрация ФМЧ. В свою очередь, эти параметры связаны с различными физико-химическими и механическими параметрами, определяющими состав, свойства и качество специальных жидких сред.

Среди различных методов контроля параметров ФМЖ особое место занимают методы, основанные на взаимодействии ФМЖ с электромагнитной волной СВЧ-диапазона. Применение микроволновых методов контроля параметров ФМЖ обусловлено следующими их особенностями:

- наличие множества эффектов взаимодействия электромагнитных волн СВЧ-диапазона с ФМЖ, находящимися в постоянном магнитном поле и при его отсутствии, позволяет измерить ряд важных параметров ФМЖ, определяющих их качество, включая диэлектрическую и магнитную проницаемости, концентрацию ФМЧ;

- применение микроволновых методов на базе металлических волноводов позволяет практически полностью устранить паразитное излучение и влияние на результаты измерений внешних электромагнитных полей за счёт полного их экранирования;

- волноводные методы в присутствии внешнего постоянного магнитного

поля подмагничивания при измерении параметров ФМЖ инвариантны к вариации удельной проводимости ФМЖ.

Очевидно, для контроля комплекса параметров ФМЖ необходимо совместное использование нескольких физических эффектов в рамках одного метода, что позволит осуществить контроль необходимого комплекса параметров ФМЖ с помощью одного устройства.

Создание такого метода является одной из актуальных задач контроля качества ФМЖ как в процессе производства, так и эксплуатации, поэтому исследования в этой области является актуальными.

Цель работы. Разработать новый микроволновый метод контроля комплекса электрофизических параметров ФМЖ и реализующее его устройство, отличающиеся от известных высокой точностью, оперативностью и возможностью проведения экспресс-контроля малых проб ФМЖ, в том числе в полевых условиях.

Для решения поставленной задачи необходимо:

- провести анализ существующих СВЧ-методов контроля параметров ФМЖ с целью выявления недостатков и путей их устранения;

- теоретически и экспериментально исследовать эффекты взаимодействия электромагнитного поля бегущих волн в волноводах с ферромагнитными жидкостями, находящимися в постоянном магнитном поле и в его отсутствии;

- разработать волноводный СВЧ-метод контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЧ в жидкости, отличающийся от известных высокой точностью, оперативностью и возможностью проведения экспресс-

контроля малых проб ФМЖ;

- разработать волноводное СВЧ-устройство контроля электрофизических параметров ФМЖ, реализующее предложенный метод, отличающееся от известных оперативностью, расширением функциональных возможностей, высокой безопасностью измерений и малыми размерами;

- решить конструкционно-оптимизационные задачи выбора измерительной ячейки, волноводной линии передачи и режима её работы;

- разработать методику расчёта геометрических параметров элементов волноводного тракта разработанного измерительного устройства, позволяющую улучшить метрологические характеристики (уменьшить погрешности и расширить диапазон измерений) разработанного метода и реализующего его устройства;

- разработать методику измерений электрофизических параметров ФМЖ и провести метрологический анализ разработанного устройства.

Методы исследования основаны на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделирования, теории антенно-фидерных устройств, измерении и метрологии.

Научная новизна. На основе теоретических и экспериментальных исследований эффектов взаимодействия электромагнитного поля бегущих волн СВЧ-диапазона в волноводных линиях передачи с ФМЖ получены следующие результаты:

- на основе метода эквивалентных параметров и теории «предельного» волновода получена математическая зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой ФМЖ, находящейся в диэлектрическом сосуде внутри круглого волновода, от критической длины волны этого волновода с учётом влияния материала и геометрических параметров диэлектрического сосуда;

- на основании полученной математической зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от критической длины волны основного типа для круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ и выбранного сочетания физических эффектов при взаимодействии бегущей электромагнитной волны с ФМЖ при наличии и отсутствии внешнего продольного подмагничивания данной физической системы разработан волноводный СВЧ-метод контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающийся от известных более высокой точностью за счёт устранения потерь в поверхностном слое металлического волновода, коррекции на влияние магнитной восприимчивости ФМЧ и учёта

влияния диэлектрического сосуда на результат измерений. Применение в разработанном методе сантиметрового СВЧ-диапазона и одномодового режима работы волноводов позволило уменьшить необходимый для контроля объём пробы ФМЖ, а также снизить размеры и стоимость реализующего метод устройства;

- на основе разработанного метода создано микропроцессорное измерительное устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающееся от существующих измерительных устройств высокой оперативностью за счёт автоматизации процесса измерений и более высокой точностью за счёт автоматического введения поправок и коррекции результатов измерения на влияние диэлектрического сосуда и магнитной восприимчивости ФМЧ;

- предложена методика расчёта оптимальных размеров элементов волно-водного тракта в разработанном микропроцессорном устройстве контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, позволяющая в зависимости от целей проектирования найти компромисс между диапазоном измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ

и погрешностью её измерений.

Практическая ценность. На основании предложенного метода разработано измерительное устройство с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для контроля комплекса параметров ФМЖ, включающего комплексную диэлектрическую проницаемость ФМЖ, магнитную восприимчивость и концентрацию ФМЧ. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 9-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения» (г. Ярославль, 2008); 3-й Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского» (г. Тамбов, 2008);

9-й Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (г. Тамбов, 2009); Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофи-зические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010). Образец измерительного устройства демонстрировался на 11-й юбилейной специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (г. Москва, 2011), где был отмечен почётной грамотой, и на выставке XIV Московского Международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011» (г. Москва, 2011), где был отмечен серебряной медалью.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из

них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК, и положительное решение на выдачу

патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 118 страницах, содержит 30 рисунков и 42 наименования библиографического указателя.

Автор выражает глубокую благодарность д.т.н., профессору П.А. Федюнину за консультативную помощь при подготовке диссертации.

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД И ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Ферромагнитные жидкости и их применение

ФМЖ представляют собой коллоидные растворы, состоящие из ферромагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель.

Для обеспечения устойчивости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ) (например, лимонная кислота или полиакрилат натрия), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующим их слипанию из-за Ван-дер-ваальсовых или магнитных сил.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и, в конце концов, частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

По совокупности электрофизических свойств ФМЖ можно охарактеризовать как жидкий ферромагнетик. В жидких ферромагнетиках твёрдые частицы ферромагнитных материалов окружены мономолекулярными слоями жидкого носителя, что обусловливает их высокую подвижность. В частности, движение твёрдых частиц в растворе близко к броуновскому. Высокая подвижность частиц и весьма незначительные затраты энергии на их пространственную ориентацию под действием внешнего магнитного поля приводят к почти полному ис-

чезновению гистерезиса, характерному для обычных ферромагнитных материалов.

Электрофизические свойства ФМЖ в основном определяются свойствами раствора-носителя и ФМЧ. При использовании в качестве носителей растворов с низкой электрической проводимостью (например, уайт-спирит) получают материал с диэлектрическими свойствами. Жидкие ферромагнетики с высокой электрической проводимостью реализуются на базе ртути и других подобных веществ (например, графита-геля). Значительные изменения механических и электрических характеристик различных жидкостей, которые могут выполнять функции носителя ферромагнитных частиц, дают возможность воздействия на их форму.

Управление поверхностью жидкости с помощью внешних магнитных полей и чисто магнитные свойства полученного материала открывают широкие перспективы его применения в различных областях приборостроения и техники.

Подшипники, использующие жидкие ферромагнетики, устойчиво работают при скоростях вращения вала до сотен тысяч оборотов в минуту. Верхний предел скорости вращения обусловлен, в основном, разогревом жидкости за счёт вязкого трения до температур, близких к точке Кюри, при которых жидкость теряет магнитные свойства и более не удерживается внешним магнитным полем в рабочем зазоре. Недостатком подобного подшипника, существенно снижающим время нормального функционирования, является испарение ФМЖ из рабочего зазора, причем скорость испарения растёт по мере повышения температуры жидкости. Жидкие ферромагнетики, выполняющие изолирующие функции смазки между движущимися механическими поверхностями или деталями могут быть с успехом использованы для защиты рабочих зазоров от попадания в них посторонних частиц, например, для защиты воздушных зазоров между магнитным диском и головками считывания и записи в дисковых системах внешней памяти цифровых вычислительных машин. ФМЖ могут быть ис-

пользованы не только как пассивные элементы тех или иных устройств, но и как активные элементы, реализующие требуемые функции при изменении внешнего магнитного поля. Например, замороженная или полимеризованная ферромагнитная жидкость, находящаяся в совокупности постоянного (подмаг-ничивающего) и переменного магнитных полей, может служить источником упругих колебаний с частотой переменного поля, что может быть использовано

для генерации ультразвука [1].

По структуре своего состава жидкости с ферромагнитными частицами (в некоторых практических случаях называемые феррожидкостями) - ФМЖ представляют собой дисперсную систему [1]. Как было указано выше, жидкая среда (носитель) состоит из связывающего вещества, растворителя, пластификатора и различных добавок (ПАВ), которые способствуют смачиванию и разделению частиц магнитного порошка, приготовляемого истиранием феррита в шаровых мельницах. Наибольшее распространение получили магнитные порошки с одноосной магнитной анизотропией формы (неодинаковость магнитных свойств в разных направлениях), например, игольчатые частицы гамма - оксида железа (у - Бе2Оз) с отношением длины к поперечному размеру 6:1 и диоксида хрома Сг02 с отношением длины к поперечному размеру 9:1. Удлиненная форма этих частиц близка к критическому размеру однодоменности. Частицы являются монокристаллическими или состоят из небольшого числа зерен с преимущественным распределением кристаллографических осей низшего порядка. Характерный размер частиц лежит в пределах 30...300 нм и определяется размерами однодоменности.

Весь класс жидкостей с ФМЧ можно разделить на три группы [2]:

1) жидкости с ферромагнитными металлическими частицами, например:

Бе, Со, Сг, М;

2) с ферромагнитными полупроводниковыми частицами, например, на основе магнетита Ре0+Ре203, беспримесных оксидов Сг02, N10;

3) с диэлектрическими частицами - СВЧ-ферриты и ферриты с низким

тангенсом угла диэлектрических потерь.

К первой группе относятся некоторые красители (сурик), диэлектрические жидкости с высокой магнитной проницаемостью металлических ФМЧ и различные горючие, смазочные материалы с ферромикровключениями. Большинство второй группы составляют жидкости на основе керосина и смазочных масел с различной концентрацией (обычно 10, 20 или 40%) магнетита, называемые в литературе ФМЖ. Они широко используются в дефектоскопии, высокооборотных подшипниках, демпферных устройствах, при флотации редкоземельных металлов [3,4]. Жидкости третьей группы (жидкие магнитодиэлектри-ки) являются основой радиопоглощающих покрытий и большинства магнитных носителей информации [1,5,6]. Специальным классом ФМЖ являются некоторые термитные смеси.

Важнейшей характеристикой ФМЖ является концентрация феррочастиц в жидкости-носителе. Например, концентрация магнитного лака в магнитных лентах для записи информации влияет на такие её характеристики, как коэрцитивная сила, коэффициент прямоугольности, магнитная восприимчивость и т.д., что, в свою очередь, определяет плотность и сохранность записи информации [1]. Для радиопоглощающих покрытий оптимальная концентрация СВЧ-феррита обеспечивает согласование со свободным пространством, оптимизируя коэффициент отражения и поглощения падающей электромагнитной волны

[5,6].

К другим важным параметром ФМЖ следует отнести магнитную восприимчивость ФМЧ и комплексную диэлектрическую проницаемость носителя. Первый параметр зависит от химического состава ФМЧ, а второй определяет

диэлектрические свойства носителя.

Комплекс перечисленных параметров ФМЖ в основном определяет их качество, поэтому вопросам анализа дисперсного состава жидких ферромагнитных сред уделено достаточно большое внимание [2].

1.2 Гиромагнитные свойства намагниченных ферромагнитных

жидкостей

Известно, что каждая частица ненамагниченной ФМЖ спонтанно намагничена и обладает собственным магнитным моментом, причём ориентация магнитных моментов частиц в отсутствии внешнего магнитного поля, вследствие броуновского движения, случайна в каждый момент времени, и поэтому полная

намагниченность жидкости равна нулю.

Анизотропные или гиромагнитные свойства ФМЖ проявляются в постоянном магнитном поле, когда магнитные моменты отдельных частиц ориентируются в одну и ту же сторону, причем их ориентация совпадает с направлением постоянного магнитного поля. В этом случае ФМЖ можно характеризовать намагниченностью, а когда поле достаточно велико и величина намагниченности уже не зависит от величины постоянного магнитного поля - намагниченностью насыщения М0(А/м) [1,7].

Если поместить ФМЖ в постоянное магнитное поле Н0 (рисунок 1.1), то направление вектора намагниченности ФМЖ М0, как и в твёрдых ферритах, будет совпадать с направлением постоянного магнитного поля [8,9]. Приложенное перпендикулярно к направлению постоянного магнитного поля малое переменное поле Н(ю) приводит к изменению намагниченности и появлению высокочастотной составляющей ш(со). Вектор намагниченности начинает прецессиро-вать относительно направления постоянного магнитного поля, т.е. ведёт себя подобно гироскопу. Направление прецессии вектора намагниченности совпадает с направлением движения часовой стрелки, если смотреть по направлению М0. Нетрудно видеть, что в этом случае наряду с составляющей переменной намагниченности, совпадающей по направлению с переменным полем Н(со) (в нашем случае направленном по оси х ), возникает составляющая намагниченности, перпендикулярная этому направлению (на рисунке 1.1 - направленная по оси У). Прецессия вектора намагниченности происходит с частотой [10]

соо = УоНо,

где Н0 - напряженность постоянного магнитного поля, А/м; у0=2,2М05 м/(А-с) - гиромагнитное отношение.

Рисунок 1.1 - Прецессия вектора намагниченности

Однородное переменное магнитное поле, приложенное к намагниченному до насыщения ФМЖ, создает в нём переменную магнитную индукцию. Выражения для составляющих магнитной индукции получены впервые Полдером и имеют следующий вид:

Вх=ца1Нх-ц1а2Ну;

Ву=Ца2Нх+1ца1Ну;

Вг =

где М-а1, М-а2 и М-о ~~ компоненты тензора магнитной проницаемости:

М"а1 0

М- =

О

О

о

Они, в свою очередь, зависят от частоты переменного магнитного поля,

величины приложенного постоянного магнитного поля и намагниченности ФМЖ и в самом простом случае имеют вид [10]:

Ца1 = •

Г Л

1 2 2 V со -Ю0 ;

со • со8

; М>а2 ~ Но 2 г со -со0

где = То^ - собственная частота прецессии, рад/с; ^ = Уо^о; И -внутреннее постоянное магнитное поле, направленное по оси г, А/м; 10- значение вектора намагниченности соответствующего магнитному

моменту насыщения М8 5 А/м.

Величина № определяет магнитное поле, действующее внутри образца. Она может быть вычислена с помощью магнитостатических расчетов и зависит от формы образца. Эта зависимость учитывается введением специальных коэффициентов, которые носят название размагничивающих факторов [9].

Вследствие тензорного характера магнитной проницаемости переменное магнитное поле, приложенное по оси х, создает составляющие переменной магнитной индукции, направленные как по оси х, так и по оси у. Величина компонента Иа2 показывает степень связи между электромагнитными волнами с перпендикулярными поляризациями магнитного поля и указывает на возможность

обмена энергиями между этими волнами.

Рассмотрим влияние направления вращения вектора напряженности магнитного поля на свойства феррита. Из физических соображений следует, что волна правого направления вращения будет сильней взаимодействовать с магнитным моментом феррита, так как направления их вращения совпадают. Волна левого вращения не может отдать энергию на поддержание прецессии, так как

направление вращения Н противоположно М.

Пусть вектор ЭМВ, распространяющейся в намагниченном феррите, поляризован по кругу в плоскости, перпендикулярной вектору Н0.

Обозначим через Н+ вектор, вращающийся с круговой частотой со по часовой стрелке (смотрим по направлению вектора Н0)

Й+=(ех-1еу)нт.

Вектор с противоположным направлением вращения с той же частотой обозначим через Н

ЕГ =(ех+юу)нт.

Вектор магнитной индукции также поляризован по кругу и вращается в ту же сторону, что и вектор напряженности магнитного поля. Тогда скалярные величины относительный магнитных проницаемостей для волн различных направлений круговой поляризации в простейшем случае вычисляются по формулам:

ц+=1

Юс

со«

(1.1)

со-со0 ' ю + со0

На рисунке 1.2 представлен график зависимости относительных магнитных проницаемостей правополяризованной и левополяризованной волн и ц" от напряжённости постоянного магнитного поля [2].

Рисунок 1.2 - Зависимости относительных магнитных проницаемостей правополяризованной и левополяризованной волн й + и ц-от напряжённости постоянного магнитного поля Н0

Выбирая величину поля подмагничивания Н0 трубопровода с ферромагнитной жидкостью можно выбрать соответствующие области А, В или С, где проявляется тот или иной эффект.

Следует отметить, что минимальная величина напряжённости поля подмагничивания должна быть значительно больше магнитного поля Земли Н3=40 А/м, но меньше величины, соответствующей магнитному резонансу Н0рез- Кроме того, под действием постоянного магнитного поля ФМЖ становится более вязкой, что может затруднить её подачу внутрь измерительного устройства. Эти факты следует учитывать при проектировании устройств контроля параметров ФМЖ с внешним подмагничиванием.

1.3 Методы и устройства контроля параметров ферромагнитных

жидкостей

К настоящему времени известно множество различных методов и устройств контроля состава ФМЖ. Принцип действия практически всех устройств анализа состава и свойств дисперсных сред основан на измерении их физических либо физико-химических параметров, а при выборе преобразователя руководствуются обычно степенью различия параметров жидкости - носителя и наполнителя. Наиболее характерные методы контроля параметров ФМЖ приведены на рисунке 1.3.

Плотномеры позволяют измерить концентрации ФМЧ на основе плотности всей среды. Наиболее распространены среди концентратомеров, поскольку плотность жидкой и твёрдой фаз, как правило, в несколько раз отличаются друг от друга, что косвенно способствует простоте конструкции [3]. Для измерения плотности используется выражение, связывающее объёмную концентрации твёрдой фазы с плотностью всей дисперсной системы:

Рс =Рж+(Рт-Рж)-С

?

л

где Рс - плотность дисперсной системы, кг/м ; Рж и Рт - плотности жидкой и твёрдой фаз соответственно, кг/м3; С - объёмная концентрация твердой фазы.

К недостаткам измерительных устройств данного типа следует отнести низкую точность измерений малых концентраций ФМЧ, а также необходимость предотвращать оседание частиц на чувствительные элементы датчиков [3]. Кроме того, по значению плотности в общем случае невозможно определить электрофизические параметры ФМЖ.

Оптические концентратомеры применяются для измерения концентрации частиц в жидких дисперсных средах. Используется измерение интенсивности как прошедшего света (турбодиметры), так и рассеянного (нефелометры). Нефелометры, как правило, более подходят для контроля ФМЖ, которые по своим оптическим свойствам является мелкодисперсными суспензиями. Средний диаметр ФМЧ значительно меньше длины световой волны и составляет порядка 10 нм, что позволяет использовать уравнение Релея.

В общем случае величину концентрация ФМЧ получают из уравнения Рэ-лея по измеренной интенсивности падающего и рассеянного света [11]:

где 10 - интенсивность падающего света, Вт/м2; 1Р - интенсивность рассеянного под углом а света; С - частичная концентрация в дисперсной системе (число

тель преломления ФМЧ; п2 - показатель преломления носителя.

К недостаткам оптических методов и устройств следует отнести невозможность измерения высоких концентраций ФМЧ из-за сильного поглощения светового потока частицами, находящимися во взвешенном состоянии, а также необходимость учёта размера и формы частиц, структуры их агрегатов [12]. Кроме того, наличие графита-поглотителя делает ФМЖ непрозрачной.

Из вышесказанного следует, что оптические измерительные приборы и плотномеры обладают рядом недостатков, включая невозможность контроля

= 247131

СУ2 2 /п^-П^ —-(1 + С08 а) -у—т [Вт/м2]

частиц в 1 см3); V - объём частицы, м3; X - длина волны света, м; П1 - показа-

электромагнитных параметров ФМЖ. От последнего недостатка свободны методы и устройства контроля параметров ФМЖ, основанные на взаимодействии электромагнитного поля диапазона СВЧ с ФМЖ. Место СВЧ методов среди других методов контроля ФМЖ показано на рисунке 1.3 [13].

Выбор в пользу СВЧ методов для контроля параметров ФМЖ обусловлен следующим:

- наличие множества эффектов взаимодействия электромагнитных волн СВЧ-диапазона как с намагниченными, так и ненамагниченными ФМЖ позволяет измерить ряд важных параметров ФМЖ, определяющих их качество, включая диэлектрическую и магнитную проницаемости, концентрацию ферромагнитных частиц (ФМЧ);

- применение микроволновых методов на базе металлических волноводов позволяет практически полностью устранить паразитное излучение и влияние на результаты измерений внешних паразитных электромагнитных полей за счёт полного их экранирования.

Согласно принятой классификации СВЧ методы контроля параметров ФМЖ делятся на два типа.

Резонаторные методы основаны на измерении параметров (резонансная частота, добротность) резонатора, заполненного ФМЖ. Резонаторные методы отличаются высокой точностью и позволяют использовать большинство эффектов взаимодействия волн СВЧ-диапазона с ФМЖ. К недостатку резонаторных методов можно отнести малую пригодность данных методов к измерению параметров ФМЖ с высокими потерями, а также сложность реализующих устройств [2].

Волноводные методы - группа СВЧ методов, реализованных на базе металлического волновода, заполненного исследуемой ФМЖ.

Рисунок 1.3- Классификация методов контроля параметров ФМЖ

СВЧ методы, реализованные на базе металлического волновода обладают следующими особенностями:

- первичные измерительные преобразователи (ПИП) на отрезках волноводов обладают минимальными потерями, высокой чувствительностью своих интегральных параметров (резонансной частоты, добротности, набега фазы и т.д.) к изменению электрофизических параметров жидких сред;

- ПИП СВЧ диапазона, работающие в одномодовых режимах, обладают простой конструкцией, малые размерами, максимальной электромагнитной безопасностью и электромагнитной совместимостью.

Выбор в пользу данных методов обусловлен следующим:

- волноводные методы, в отличие от резонаторных, более чувствительны, когда измеряются параметры ФМЖ с большой величиной удельной проводимости (высокими потерями), например, феррито-графитовые жидкие смеси;

- волноводные методы без постоянного поля подмагничивания обладают большей точностью измерений по сравнению с резонаторными в случае, когда диэлектрическая проницаемость частиц сильно отличается от диэлектрической проницаемости жидкости-носителя;

- волноводные методы в присутствии поля подмагничивания при измерении параметров ФМЖ инвариантны к вариации удельной проводимости.

Устройства, реализующие волноводные методы, в зависимости от критериев принятой классификации можно классифицировать следующим образом (рисунок 1.4) [13].

По измеряемым параметрам существующие волноводные измерительные устройства можно разделить на следующие типы:

- измерители действительной части диэлектрической проницаемости в' и связанных с ней параметров, характеризующих состав носителя;

- измерители мнимой части диэлектрической проницаемости г", характеризующей потери СВЧ в ненамагниченной ФМЖ;

- измерители действительной части магнитной проницаемости р/ ФМЧ,

которая характеризует их состав;

- измерители мнимой части магнитной проницаемости ц" ФМЧ;

- измерители концентрации ФМЧ в ФМЖ - концентратомеры.

По режиму работы волноводные устройства можно разделить на использующие режим бегущей волны и режим смешанных волн.

Режим бегущей волны характеризуется наличием только падающей волны, распространяющейся от генератора через исследуемую ФМЖ к поглощающей нагрузке. Отраженная волна отсутствует. Мощность, переносимая падающей волной, полностью выделяется в объёме ФМЖ и поглощающей нагрузке. Для устранения отражённой волны применяются ферритовые вентили.

Режим смешанных волн соответствует случаю, когда часть энергии теряется внутри объёма ФМЖ, а часть отражается и возвращается обратно к генератору. Отражателям может выступать как сама ФМЖ (метод на отражение), так и сама короткозамкнутая ячейка (метода на прохождение).

Пример устройства, реализующего режим смешанных волн, описан в [10]. Определение комплексной диэлектрической проницаемости в = б' - полярных жидкостей в данном методе основано на измерении коэффициента стоячей волны, т.е. отношении максимальной амплитуды тока или напряжения в детекторе к минимальному значению в заданной точке линии, при фиксированной толщине слоя жидкости в короткозамкнутой на конце измерительной ячейке.

К недостаткам режима смешанных волн можно отнести сложность и громоздкость реализации измерения коэффициента стоячей волны [14], на основании чего выбор сделан в пользу режима бегущих волн.

По типу подмагничивания измерительные устройства контроля параметров ФМЖ можно разделить на следующие виды:

- измерители параметров ФМЖ с продольным подмагничиванием;

- измерители параметров ФМЖ с поперечным подмагничиванием;

- измерители параметров ФМЖ без подмагничивания.

Рисунок 1.4- Классификация СВЧ-устройств контроля ферромагнитных жидкостей

Тип подмагничивания зависит от применяемых в измерительном устройстве информативных эффектов. Возможно применение нескольких видов подмагничивания одном устройстве. Однако, устройства с продольным подмагни-чиванием менее громоздки, чем с поперечным, т.к. волновод с ФМЖ находится внутри соленоида.

В зависимости от применяемого информативного эффекта среди волно-водных методов бегущей волны можно выделить следующие.

1. Устройства, использующие метод «критичного волновода». Суть метода «критичного волновода» заключается в измерении критической длины волновода, которая зависит от диэлектрической проницаемости среды, заполняющей данный волновод. Данный метод предназначен для измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ и может быть реализован на базе волноводов как прямоугольного, так и круглого сечений.

Например, для круглого волновода зависимость длины критической волны основного типа Нц от диэлектрической проницаемости заполняющего его среды имеет следующий вид:

где а - внутренний радиус волновода, м; г - относительная диэлектрическая проницаемость (действительная) среды, заполняющая волновод.

Из выражения (1.1) получаем зависимость, связывающую критическую длину волны волновода с диэлектрической проницаемостью заполняющей среды:

Аналогичные выражения могут быть получены для волноводов прямоугольного сечения и других типов волн.

Примером реализации метода «критичного волновода» является известное устройство [15]. Данное устройство предназначено для определения элек-

(1.1)

/

v

3,41-а

тромагнитных свойств различных материалов и взято нами за прототип.

Суть используемого в представленном устройстве метода заключается в анализе частотной характеристики электромагнитный волны в момент отсечки, при взаимодействии с материалом, находящимся в измерительной ячейке. Устройство содержит СВЧ-генератор с управляемой частотой колебаний, измерительную камеру, детектор, соединённый с выходом камеры, процессор для анализа АЧХ камеры. Измерительная камера выполнена в виде волновода, в которой непосредственно помещён исследуемый материал. Во время измерений частота генератора плавно перестраивается до момента отсутствия тока на приёмного детекторе (наступления момента «отсечки»). Далее регистрируется частота отсечки, по которой определяются электромагнитные свойства находящегося в ячейке материала по известным формулам [16].

К недостаткам данного метода и реализующего его устройства применительно к ФМЖ следует отнести:

- низкую точность измерений из-за наличия больших потерь электромагнитной энергии в поверхностном слое металлических стенок измерительной камеры (наличие гальванического контакта с исследуемым материалом);

- невозможность измерения малых объёмов жидких и твёрдых сред;

- невозможность учёта частотной дисперсии диэлектрической проницаемости материалов;

- низкую информативность при измерении параметров ФМЖ ввиду невозможности определения концентрации ФМЧ и их магнитной восприимчивости;

- громоздкость, сложность конструкции и высокая стоимость реализующего устройства.

2. Устройства, использующие эффект Фарадея принцип работы которых основан на прямом измерении или стабилизации на определённом значении угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, прошедшей через продольно намагниченную ФМЖ. Данные методы позволяют измерить кон-

центрацию ФМЧ в ФМЖ. В зависимости от реализации, мерой концентрации ФМЧ является ток в соленоиде подмагничивания, соответствующей оптимальному углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, либо сам угол поворота плоскости поляризации электромагнитной волны при постоянном токе подмагничивания. Очевидно, что устройство, использующее эффект Фарадея, можно реализовать только на базе круглого волновода, т.к. в прямоугольном волноводе невозможен поворот плоскости поляризации электромагнитной волны.

Величина внешнего продольного поля подмагничивания должна в пределах зоны «А» на рисунке 1.2. Величина этого угла поворота плоскости поляризации 0 линейно поляризованной волны не зависит от величины интегральной проводимости, и определяется функцией:

G = Ф(М-ср+(Но,Су), Sep, 5С)1, где Но - напряжённость продольного поля подмагничивания, А/м; jncp+ - среднее по объему взаимодействия значение относительной магнитной проницаемости для волны с круговой поляризацией Н+; вср - среднее по объему взаимодействия значение диэлектрической относительной проницаемости; % - магнитная восприимчивость ФМЧ, характеризующая их химический состав.

Эффект Фарадея широко применяется для контроля параметров ФМЖ, например, известен метод измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости по углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, прошедшей путь длиной / через фиксированный объем жидкости с продольно намагниченным ферромагнетиком [17]. Мерой концентрации ферромагнитных частиц в данном методе является угол поворота плоскости поляризации.

Недостатком данного метода являются малая точность и технологические трудности измерения угла поляризации в функции измеряемой объемной концентрации и невозможность измерения магнитной восприимчивости, характеризующей химический состав ферромагнитных частиц.

Другим примером использования эффекта Фарадея является существую-

щее устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости [18]. В отличие от предыдущего метода, в данном устройстве реализовано измерение тока подмагничивания соленоида, расположенного на отрезке круглого волновода, создающего постоянное магнитное поле для стабилизации оптимальной величины угла поворота плоскости линейно поляризованной электромагнитной волны, прошедшей через размещенную в круглом волноводе диэлектрическую камеру с исследуемой жидкостью с продольно намагниченными ферромагнитными частицами.

К преимуществу данного устройства следует отнести более высокую точность измерения по сравнению с [17], однако, как и в предыдущем случае, основным источником погрешности является магнитная восприимчивость ФМЧ.

3. Концентратомеры ФМЖ на основе эффекта Реджиа-Спенсера представляют собой устройства с продольно намагниченной ФМЖ, в которых отсутствует эффект поворота плоскости поляризации (эффект Фарадея), и реализуется измерение только набега фазы волны, прошедшей зону взаимодействия с ФМЖ определённой длины. Данные устройства могут быть реализованы только на базе прямоугольного волновода и аналогичны простейшему фазовращателю Реджиа-Спенсера [19].

При фиксированных размерах сосуда с ФМЖ, набег фазы определяется некоторой функцией:

A(p=F2[|Wcp(Cv,Ho), scp(Cv)],

где Цср - среднее по объему взаимодействия значение относительной магнитной проницаемости для волны с круговой поляризацией Н+; 8ср - среднее по объему взаимодействия значение диэлектрической относительной проницаемости; Н0 -напряжённость продольного поля подмагничивания, А/м; Cv - объёмная концентрация ФМЧ.

В устройства рассматриваемого вида возможна реализация двух методов измерения [2]. Первый предусматривает метод прямых измерений набега фазы

Дф в функции концентрации при постоянстве и оптимальной величине Н0, второй - стабилизацию постоянства набега фазы при изменении концентрации путём изменения поля подмагничивания. Причём, из-за того, что величина набега фазы Дф может меняться в широких пределах (0.. .2л), возможна работа не только в зоне А, но и в зоне С.

К недостаткам данных устройств следует отнести сложность и громоздкость, связанную в основном с получением приемлемой точности измерения набега фазы, а также отсутствие учёта влияния зависимости средней по объёму взаимодействия относительной диэлектрической проницаемости от концентрации ФМЧ [2].

4. Устройства, использующие эффект «вытеснения» поля [20], который заключается в отсутствии поля внутри объёма ФМЖ и его прохождении вне его.

В круглом волноводе, заполненном продольно намагниченной ФМЖ, этот эффект проявляется в виде смены вида поляризации электромагнитной волны с линейной на круговую. Момент смены вида поляризации соответствует точке 3 на рисунке 1.2, при котором величина (ia+ принимает отрицательное значение. Это условие достигается, когда напряжённость магнитного поля больше граничной величины между зонами А и В (рисунок 1.2), но меньше Н0±. При этом коэффициент фазы Р+ (для составляющей Н+, линейно поляризованной волны Нц в круглом волноводе) становится чисто мнимой величиной, что соответствует волнам с экспоненциально убывающей вдоль оси Z (по направлению вектора Пойтинга П ) амплитудой. Таким образом, при ца+ < 0 распространение волн с поляризацией Н4" в продольно-намагниченной ФМЖ в круглом волноводе становится невозможным. С другой стороны, согласно рисунку 1.2 продольное магнитное поле практически не оказывает влияние на составляющую Н" линейно поляризованной волны Нц в круглом волноводе, что приводит к смене вида поляризации электромагнитной волны с линейной на круговую.

Величина граничного тока в соленоиде подмагничивания зависит от магнитной восприимчивости ФМЧ и инвариантна к их концентрации.

Примером устройства, использующего эффект «вытеснения» поля, является концетратомер ФМЖ, реализующее известный метод [21], где эффект Фа-радея дополняется эффектом «вытеснения» поля. Применение эффекта «вытеснения» поля в концентратомерах на базе эффекта Фарадея позволяет дополнительно определить сорт ФМЧ независимо от их концентрации, а также повысить точность измерения концентрации ФМЧ за счёт поправки на нестабильность магнитной восприимчивости %.

Аналогичный эффект используется в устройствах на базе прямоугольного волновода [22]. В этом случае применяется поперечное намагничивание объёма ФМЖ. В момент, когда поле подмагничивание достигает величины Н0± (рисунок 1.2), при которой отношение

Ца+/ Ца =-1,

причем величина Н0± значительно меньше величины Норез (рисунок 1.2) - поля продольного феррорезонанса. В этом случае резко возрастают потери, и бегущая волна сильно затухает. Следует отметить, что в рассматриваемом случае затухание волны не связано с явлением ферромагнитного резонанса, а объясняется большим значением абсолютной магнитной проницаемости намагниченной ФМЖ в направлении распространения волны и наличием диэлектрических потерь. Величина Hoi зависит в основном от концентрации ФМЧ. Основным источником погрешности в таких устройствах являются комплексная диэлектрическая проницаемость ФМЖ и магнитная восприимчивость ФМЧ.

5. Устройства, использующие эффект затухания электромагнитных волн, который заключаются в уменьшении амплитуды электромагнитной волны, прошедшего через ненамагниченную ФМЖ. Вследствие того, что потери в ФМЖ обусловлены токами проводимости, данные устройства позволяют измерить мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ. Действительно, коэффициент затухания поля вдоль волноводной линии передачи, az, прямопропорционален мнимой части диэлектрической проницаемости заполняющей волновод среды и вычисляется по известной формуле [23]:

20, Е,

az=r gE^ [Д6/М^' (L20)

где L - длина сосуда с ФМЖ, м; Ei - напряжённость поля перед сосудом с исследуемой ФМЖ, В/м; Е2 - напряжённость поля после сосуда с исследуемой ФМЖ, В/м.

По форме сечения волновода устройства контроля параметров ФМЖ можно разделить на:

- устройства контроля ФМЖ на базе волновода круглого сечения;

- устройства контроля ФМЖ на базе волновода прямоугольного сечения.

Применение волновода круглого сечения является более препоучитель-

ным, т.к. значительно упрощается реализация устройства для измерения концентрации ФМЧ с использованием эффекта Фарадея. Однако, в круглом волноводе может наблюдаться поляризационная неустойчивость, заключающаяся в самопроизвольном повороте плоскости поляризации электромагнитной волны.

Приведённый выше обзор показал, что к настоящему времени большинство задач контроля параметров ФМЖ имеет своё решение. Однако большая часть существующих устройств способна измерять лишь отдельные параметры ФМЖ. Поэтому, представляет интерес создание методов и устройств неразру-шающего контроля, позволяющих измерять комплекс параметров ФМЖ. Кроме того, устройство, взятое за прототип, обладает рядом других недостатков.

На основании вышесказанного можно сделать следующие выводы:

- самыми простыми в реализации являются методы, использующие условие существования бегущей волны в волноводе и эффект затухания поля. Также следует отметить, что оба метода могут быть реализованы на базе одного вол-новодного ПИП, что позволит определить комплексную диэлектрическую проницаемость ФМЖ;

- совместное применение эффектов Фарадея и «смещения» поля в одном устройстве позволило повысить точность измерений концентрации ФМЧ за счёт поправки на измеренную величину магнитной восприимчивости [22].

Критерии классификации, соответствующие наиболее простым устройствам, обозначены на рисунке 1.4.

1.4 Постановка задачи исследования

1. Теоретически и экспериментально исследовать эффекты взаимодействия электромагнитного поля бегущих волн в волноводах с ферромагнитными жидкостями, находящимися в постоянном магнитном поле и в его отсутствии.

2. Разработать волноводный СВЧ-метод контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЧ в жидкости, отличающийся от известных высокой точностью, оперативностью и возможностью проведения экспресс-контроля сравнительно малых проб ФМЖ.

3. Разработать микропроцессорное измерительное СВЧ-устройство контроля электрофизических параметров ФМЖ, реализующее предложенный метод контроля.

4. Разработать методику расчёта геометрических параметров элементов волноводного тракта разработанного измерительного устройства, позволяющую улучшить метрологические характеристики (уменьшить погрешности и расширить диапазон измерений) разработанного метода и реализующего его устройства.

5. Провести метрологический анализ разработанного устройства контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ с рекомендациями улучшения его метрологических характеристик.

6. Экспериментально проверить работоспособность разработанных метода и его реализующего устройства, внедрить полученный результаты в практику.

1.5 Выводы

1. Из всех известных методов измерения параметров ФМЖ наиболее эффективными является волноводные методы диапазона СВЧ. Наличие большого числа информативных эффектов позволяют измерять не только диэлектрическую проницаемость, но и другие параметры ФМЖ, такие как концентрация ФМЧ и их магнитная восприимчивость.

2. Наиболее перспективными с точки зрения простоты реализации являются волноводные методы, использующие режим бегущих волн, позволяющие использовать ряд физических эффектов взаимодействия бегущей электромагнитной волны СВЧ-диапазона как с ФМЖ в присутствии и отсутствии внешнего постоянного магнитного поля.

3. Существующий метод, взятый за прототип и использующий условие существования бегущей волны основного типа внутри волновода, мало пригоден для измерения параметров ФМЖ из-за большой погрешности вследствие больших потерь и других недостатков.

2 ТЕОРЕТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ

В предыдущей главе были рассмотрены существующие методы и устройства контроля параметров ФМЖ на базе металлического волновода. Однако для определённого сечения волновода реализуемы не все методы, и выбор информативных параметров во многом определяется не только эффектом взаимодействия электромагнитной волны с ФМЖ, но и сечением волновода, а также способами подмагничивания.

В качестве ПИП в данной работе нами был выбран волновод круглого сечения с продольным намагничиванием. На базе данного ПИП реализуемы следующие методы измерения параметров ФМЖ:

- метод, использующий свойства критичного волновода;

- метод затухания;

- метод, основанный на эффекте Фарадея;

- метод, основанный на эффекте смещения поля.

Для устранения основного недостатка прототипа, связанного с потерями в месте контакта ФМЖ и внутренней поверхности волновода предлагается использовать диэлектрический сосуд. Однако, применение заполненного ФМЖ диэлектрического сосуда в первичном измерительном преобразователе на базе круглого волновода потребует создание математического описания, учитывающее влияние толщины стенок диэлектрического сосуда и частичного заполнения на перечисленные выше физические эффекты.

2.1 Анализ условий распространения волны в круглом волноводе в зависимости от электромагнитных характеристик заполняющей среды и

степени заполнения.

2.1.1 Условие существования бегущей волны в круглом волноводе, понятие о критической длине волны

Круглый металлический волновод представляет собой полую металлическую трубу с внутренним радиусом а, бесконечно протяженную вдоль оси ъ. При описании поля в круглом волноводе удобно использовать цилиндрическую систему координат г,ф,г (рис. 2.1), так как стенки волновода совпадают с координатной поверхностью г=а.

Рисунок 2.1 - Круглый волновод

Уравнения связи поперечных компонентов поля с продольными для круглого волновода имеют следующий вид [16,24]:

^Ф „2

ьЖ^+ соца ЯН,

дг

г 5ср

Н

Ь 5Е2 ан2

----ЮЦа-^

г дф дт

-а--^--Ь--

V

г 5ф

дг

„2

5Е, Ь дяг

С08 -- +--

дх г Зф

(2.1)

Анализ уравнений (2.1) показывает возможность существования колебаний типов Е и Н в отдельности. Для их исследования необходимо решить уравнения Гельмгольцадля Е2 и Н2:

У2Ёг+§2Ё2=0,

У2Н2+е2Н2=0 , которые в цилиндрической системе координат принимают вид:

Э2Ё, 1ЭЕ7 1 д'Е

• + ■

дг* Г дг г2 5ф2

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Котов, Илья Олегович

5.5 Выводы

1. В результате анализа исходных данных и прямого расчёта с использованием математического описания разработанного метода получена информация о доминирующих компонентах и величине их вклада в полную погрешность измерений.

2. Из полученной информации о доминирующих компонентах и величине их вклада в полную погрешность измерений следует, что:

- основными источниками погрешности измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ являются отклонения размеров элементов измерительной ячейки и диэлектрической проницаемости материала стенок диэлектрического сосуда;

- основными источниками погрешности измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ является погрешность измерения амплитуды напряжённости поля до и после диэлектрического сосуда с ФМЖ.

3. Проведена экспериментальная оценка погрешности измерений параметров ФМЖ. В результате относительная погрешность измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ составила менее 10%; мнимой части комплексной диэлектрической ФМЖ - менее 11%; концентрации ФМЧ - менее 9%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведён анализ существующих СВЧ-методов контроля электрофизических параметров ФМЖ, который выявил их основные недостатки и пути их устранения.

2. С использованием метода эквивалентных емкостей и условий распространения электромагнитной волны внутри круглого волновода с находящимся внутри него диэлектрическим сосудом с ФМЖ получена математическая зависимость для вычисления действительной части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой ФМЖ по критической длине волны основного типа с учётом влияния материала и геометрических размеров диэлектрического сосуда.

3. На основании полученной математической зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от критической длины волны основного типа для круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ и выбранной совокупности физических эффектов взаимодействия бегущей волны с ФМЖ (эффект затухания электромагнитной волны, эффекты Фарадея и «вытеснения» поля) при наличии и отсутствии внешнего продольного подмагничивания разработан новый метод контроля комплексной диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающийся более высокой точностью по сравнению с существующими методами за счёт устранения потерь в поверхностном слое металлического волновода, коррекции на влияние магнитной восприимчивости ФМЧ и учёта влияния диэлектрического сосуда на результат измерений. Применение в разработанном методе сантиметрового СВЧ-диапазона и одномодового режима работы волноводов позволило уменьшить необходимый для контроля объём пробы ФМЖ в 3-5 раз, а также снизить размеры и стоимость реализующего метод устройства.

4. На основе разработанного метода создано микропроцессорное измерительное устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающееся от существующих измерительных устройств высокой оперативностью за счёт автоматизации процесса измерений и более высокой точностью за счёт автоматического введения поправок и коррекции результатов измерения на влияние диэлектрического сосуда и магнитной восприимчивости ФМЧ, а также малым объёмом необходимой для контроля ФМЖ пробы, не превышающей 50 мл.

5. Предложена методика расчёта оптимальных размеров элементов вол-новодного тракта в разработанном микропроцессорном устройстве контроля электрофизических параметров ФМЖ, позволяющая найти максимальный динамический диапазон измерений диэлектрической проницаемости действительной части диэлектрической проницаемости ФМЖ при заданной погрешности измерений или минимально возможную погрешность измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ при уменьшении диапазона измерений.

6. Проведён метрологический анализ разработанного метода и реализующего его микропроцессорного устройства контроля электрофизических параметров ФМЖ с использованием доминирующих компонентов общей погрешности измерений, что позволило выявить основные источники погрешности, информация о которых даёт предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

7. Экспериментально установлено, что погрешность измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ составила менее 10%; мнимой части комплексной диэлектрической ФМЖ - менее 11%; концентрации ФМЧ - менее 9%, что позволяет использовать разработанное средство измерения в практике синтеза и исследования получаемых ФМЖ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Котов, Илья Олегович, 2012 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ источников

1. Фертман, В.Е. Магнитные жидкости: справ, пособие / В.Е. Фертман. -Минск: Высшая школа, 1988. - 184 с.

2. Федюнин, П.А. Волноводные методы неразрушающего контроля параметров и свойств материалов в прикладной электродинамике: монография / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев. - Тамбов: ТВВАИУРЭ(ВИ), 2006. - 406 с.

3. Берковский, Б.М. Магнитные жидкости / Б.М. Берковский, В.Ф. Медведев, М.С. Краков. - М.: Мир, 1989. - 238 с.

4. Мишин, Д.Д. Магнитные материалы / Д.Д. Мишин - М.: Наука, 1991. —

384 с.

5. Небабин, В.П., Методы и техника противодействия радиолокационному распознаванию / В.П. Небабин, В.Г. Белоус // Зарубежная радиоэлектроника. - 1987. -№2. - С. 15-17.

6. Мицмахер, М.Ю. Качество современных безэховых камер и радиопо-глощающие материалы / М.Ю. Мицмахер // Антенны: Сборник статей. - М.: Связь, 1980. - № 28. - С.38-45.

7. Никольский, В.В. Электродинамика и распространение радиоволн: Учеб. пособие для вузов / В.В. Никольский, Т.И. Никольская. - 3-е изд, пере-раб. и доп. - М.: Наука, 1989. - 544 с.

8. Микаэлян, А.Л. Теория и применение ферритов на СВЧ / А.Л. Мика-элян. - М.: ГЭИ, 1963. - 663 с.

9. Гуревич, А.Г. Ферриты на сверхвысоких частотах / А.Г. Гуревич. - М. изд-во физ.-мат. лит., 1960. - 407 с.

10. Соловьянова, И.П. Теория волновых процессов. Электромагнитные волны. Учебное пособие / И.П. Соловьянова, М.П. Наймушин. - Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ - УПИ, 2005. - 131 с.

11. Кулаков, М.В. Технологические измерения и приборы для химических производств: Учебник для вузов по специальности «Автоматизация и ком-

плексная механизация химико-технологических процессов» / М.В. Кулаков. -3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1983. - 424 с.

12. Цеберс, А.О. Образование и свойства крупных конгломератов магнитных частиц / А.О. Цеберс // Магнитная гидродинамика. - 1983. - №3. - С. 3-11.

13. Котов, И.О. Методически основы проектирования первичных измерительных преобразователей состава и свойств жидких сред на отрезках металлических волноводов. Общая классификация / И.О Котов, А.И. Казьмин, Е.А. Завражнов, П.А. Федюнин. - М.: Дип. в ЦСИФ МО РФ 17.11.2008, № В6943

14. ГОСТ Р 50730.5 - 95. Приборы ферритовые СВЧ. Методы измерения коэффициента стоячей волны по напряжению и максимального коэффициента стоячей волны по напряжению на высоком уровне мощности.

15. Пат. 2115110 Российская Федерация, МПК6 О0Ш22/00. Способ и измерительное устройство для измерения электромагнитных свойств различных обрабатываемых материалов с использованием характеристики частоты отсечки и анализа / Джин Р.Б., Вайтхед Л.Ф., Воррен Г.Л.; заявитель и патентообладатель Термедикс Инк. - № 94045860/09; заявл. 21.04.1993; опубл. 10.07.1998, бюл. № 3.

16. Марков Г.Т. Электродинамика и распространение радиоволн: в 2 т. / Г.Т. Марков, Б.М. Петров, Г.П. Грузинская. - М.: Сов. Радио, 1979. - 2 т.

17. Абраров А.Т., Дмитриев Д.А., Соколов Ю.Ф. "Способ измерения концентрации ферромагнитных частиц". А.с. N 924557, кл. О 01 N 15/00. БИ N 16 от 30.04.82 г.

18. Дмитриев Д. А., Суслин М.А., Степаненко И.Т., Федюнин П.А. "Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости". Патент РФ N 2090860 от 20.09.98 г.

19. Сазонов, Д.М. Антенны и устройства СВЧ / Д.М. Сазонов. М.: Высшая школа, 1988. 170 с.

20. Дмитриев, Д.А. Электромагнитные волны в намагниченных ферритах (учебное пособие) / Д.А. Дмитриев - Тамбов: ТВВАИУ им. Ф.Э. Дзержинского, 1981.-43 с.

21. Способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ, Суслин М.А.; Федюнин П.А.; Алешкин С.А.; Макаров B.C.; Макаров Н.В.; Дмитриев Д.А., 2170418, 99106324/28, 29.03.1999

22. Волноводные методы и устройства измерения электрофизических параметров специальных ферромагнитных жидких сред. Сообщение 5: Комплекс волноводных устройств измерения электрофизических параметров на специфических эффектах / С.А. Алёшкин, П.А. Федюнин, М.А.Суслин, Д.А.Дмитриев, В.М. Делик. - Тамбов: ТВАИИ, 2000. - Деп. в ЦСИФ МО РФ 27.01.2000, № В 4204.

23. Федоров, H.H. Основы электродинамики / H.H. Федоров - М.: Высшая школа, 1980.-399 с.

24. Каценеленбаум, Б.З. Высокочастотная электродинамика. Основы математического аппарата / Б.З. Кацелененбаум -М.: Наука, 1966. - 240 с.

25. Иларионов, Ю.А. Расчёт гофрированных и частично заполненных волноводов / Ю.А. Иларионов, С.Б. Раевский, В.Я. Сморгноский; под ред. проф. В.Я. Сморгонского. - М.: Сов. радио, 1980. - 200 с.

26. Котов, И.О. Электродинамическая модель поля волны Ни в частично-заполенном волноводе круглого сечения / И.О. Котов, П.А. Федюнин, В.Н. Чернышов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010. - №4. - С. 23 - 27.

27. Гольдштейн, Л.Д., Зернов Н.В.. Электромагнитные поля и волны. / Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. - Изд. 2-е, перераб. и дополненное. - М.: Сов. радио, 1971.-644 с.

28. Пат. 2331871 Российская Федерация, МПК7 G01N15/06, G01R27/26. Волноводный СВЧ-способ измерения диэлектрической проницаемости жидких

сред по критической длине волны / Федюнин П.А. (РФ). - №2006103298/09; за-явл. 28.02.06; опубл. 20.08.08, бюл. № 23.

29. Котов И.О. Измерение диалектической проницаемости жидких сред по критической длине волны // Наука и устойчивое развитее общества. Наследие В.И. Вернадского. Сб. мат. 3-й международной конференции. Тамбов, 2008.

30. Завражнов Е.А. СВЧ способ контроля параметров специальных авиационных жидких сред / Завражнов Е.А., Котов И.О. // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения. Сборник докладов 9-й всероссийской научно практической конференции 24-25 октября 2008 г. Ярославль 2008

31. Ефимов, И.Е. Волноводные линии передачи / И.Е. Ефимов, Г.А. термина. - М.: Связь, 1979. - 232 с.

32. Пат. 2170418 Российская Федерация, МКл 6 О0Ш22/00, 27/02. Способ определения концентрации ФМЧ в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ / П.А. Федюнин, Д.А. Дмитриев, М.А. Суслин (РФ). - № 99108324/006585; заявл. 21.09.99; опубл. 10.07.01, бюл. № 21

33. Котов, И.О. СВЧ-метод оперативного контроля параметров ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов, В.Н. Чернышов, П.А. Федюнин, // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2009. - №4. - С. 25 - 30.

34. Котов, И.О. СВЧ-метод и устройство определения электрофизических параметров ферромагнитных жидкостей на базе критичного волновода // И.О. Котов, В.Н. Чернышов // Вестник ТГТУ. - 2010. - Т. 16., № 2. - С. 303 - 313.

35. Котов, И.О. Анализ влияния конструктивных параметров на точность измерения в микроволновом методе контроля параметров ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов, П.А. Федюнин, В.Н. Чернышов // Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг: материалы Седьмой международной теплофизической школы / ГОУ ВПО ТГТУ. - Тамбов, 2010. - Ч. I. - С. 263 -267.

36. Справочник по элементам радиоэлектронных устройств / Под ред. В.Н. Дулина, М.С. Жука. - М.: Энергия, 1977. - 576 с.

37. Лебедев, И.В. Техника и приборы СВЧ. Учебник для студентов вузов по специальности «электронные приборы» / И.В. Лебедев; Под ред. Н.Д. Дятлова. - М: Высш. школа, 1970. - 440 с.

38. Чернушенко, A.M. Конструирование экранов и СВЧ-устройств: учебник для вузов / A.M. Чернушенко [и др.]; Под ред. A.M. Чернушенко. - М.: Радио и связь, 1990. - 352 с.

39. Бушминский, И.П. Изготовление элементов конструкций СВЧ. Волноводы и волноводные устройства. Учеб. пособие для вузов. / И.П. Бушминский. - М.: Высш. школа, 1974. - 304 с.

40. Котов, И.О. Оценка и способ увеличения диапазона измерений диэлектрической проницаемости ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых учёных, аспирантов и студентов / ТГТУ. - Тамбов, 2011. - Вып. II. - С. 66 - 70.

41. Ваганов, Р.Б. Многоволновые волноводы со случайными нерегуляр-ностями / Р.Б. Ваганов, Р.Ф. Матвеев, В.В. Мериакри; под ред. Б.З. Кацеленен-баума. - М., Сов. радио, 1974. - 232 с.

42. Чернышов, В.Н. Тепловые методы технической диагностики строительных материалов и изделий : монография / В.Н. Чернышов, В.Г. Однолько, A.B. Чернышов, В.М. Фокин. - М. : «Издательство Машиностроение-1», 2007. -208 с.