Устройство для определения параметров жидких магнитодиэлектриков

 

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

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

Известен концентратометр ферромагнитных (ФМ) частиц в жидкости /см Наумов А.А., Черняк В.В. Портативный измеритель концентрации магнитной суспензии. Дефектоскопия. - 1971. - N2. - с 124/, который содержит датчик, выполненный в виде катушки индуктивности, включенной в частотно-задающую цепь генератора и намотанной на диэлектрическую трубу постоянного сечения, по которой протекает жидкость с ферромагнитными частицами. Такой концентратометр позволяет определять концентрацию ферромагнитных частиц по изменению индуктивности катушки в зависимости от изменения количества ферромагнитных частиц.

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

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

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

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

На фиг. 1 приведена структурная схема предполагаемого устройства.

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

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

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

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

Пусть по трубопроводу протекает жидкость с ферромагнитными частицами с концентрацией C0. При изменении напряженности поля подмагничивания от Hmin до Hmax происходит перестройка ОР. Частота fв колебания H011 цилиндрического ОР при помещении внутрь магнитодиэлектрика без учета диэлектрических свойств дисперсной системы имеет вид: где fп, fв-частоты колебания H011 пустого и "возмущенного" ОР; C - относительная объемная концентрация ФМ частиц; g=3,832/а; J1(gr)-функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка; a(H) - "информационный" параметр магнитной проницаемости феррочастиц;
диагональный компонент тензора магнитной проницаемости;
k1 - или компонент тензора;
o- магнитная проницаемость вакуума.

При f1=fв сигнал через приемную петлю 8, реле 19, АД 11, АЦП 12 поступает в микропроцессор 13, в которым фиксируется код Ni0, соответствующий току I0, величине поля подмагничивания H0 и, следовательно, значению a(Ho) "информационного" параметра (1).

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

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

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

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

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

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

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


где
где k = (a2/2-r2o/2)J21(2,405);

m1= o[a2J21(2,405)/2-b2J21(b2,405/a)/2];
и, - исходное и текущее значения диэлектрической проницаемости ФМЖ; o- вакуума; исходное и текущее значения диагонального компонента; o- магнитная проницаемость вакуума; а-радиус ОР; b-трубопровода; r0- расстояние от оси z до СВЧ-феррита; J1 (...)-функция Бесселя 1-го рода 1-го порядка.

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

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

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


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

Мерой добротности Q () в предложенном устройстве является полоса пропускания ОР при возбуждении в нем колебания E010, т.е. разность:
Nj - Nj0,5,
где
Nj - код микропроцессора 13, соответствующий текущей дизлектрической проницаемости (выходная мощность петли 9: Рвых Q Рвых); Nj0,5 - код микропроцессора 13, при котором на выходе приемной метли 9 - мощность сигнала равна половинной мощности при резонансе (Pвых0,5 = 0,5 Рвх, см выше).

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

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

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

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что трубопровод выполнен в виде специальной формы: меньший диаметр в середине длины и больший - у торцевых стенок объемного резонатора.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к контролю поверхности металлических сооружений и объектов и может быть использовано для обнаружения и контроля развития дефектов на поверхностях металлических сооружений и объектов, установленных в коррозионных средах различной степени агрессивности в условиях подземного, атмосферного, морского или речного воздействия, в частности для обнаружения и контроля развития трещин на покрытых изоляций поверхностях нефте- или газопроводов

Изобретение относится к технике измерения диэлектрических свойств материалов, например влажности, и может быть использовано в сверхвысокочастотной влагометрии неводных жидкостей, например гликолей, ацетона, аминов и др

Изобретение относится к учету и контролю качества нефти, транспортируемой по трубопроводу, позволяющее учитывать в денежном выражении качество нефти, которое при транспортировке в трубопроводе при смешении нефти, сдаваемой разными производителями, а следовательно, разного качества, приводит к изменению качественных характеристик нефти при сдаче ее потребителям

Изобретение относится к молекулярной физике, преимущественно к исследованиям диэлектрических свойств разбавленных растворов дипольных веществ в недипольных растворителях

Изобретение относится к электронному приборостроению и может быть использовано для контроля и измерения диэлектрических параметров различных сред

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации, а именно к устройствам определения расположения и формы неоднородностей и включений в строительных конструкциях и сооружениях

Изобретение относится к технике обнаружения инородных образований в почве, а конкретно мин, в частности противопехотных

Изобретение относится к системе и процессу для определения композиционного состава многокомпонентных смесей, которые являются либо неподвижными, либо текущими в трубах или трубопроводах, где компоненты имеют различные свойства полного электрического сопротивления и могут, или не могут, присутствовать в различных состояниях

Изобретение относится к системе и процессу для определения композиционного состава многокомпонентных смесей, которые являются либо неподвижными, либо текущими в трубах или трубопроводах, где компоненты имеют различные свойства полного электрического сопротивления и могут, или не могут, присутствовать в различных состояниях

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве

Изобретение относится к области сельского хозяйства, а именно к тепловым испытаниям биологических материалов при ВЧ- и СВЧ-нагреве и может применяться в сельском хозяйстве и пищевой промышленности

Изобретение относится к технике измерений с помощью электромагнитных волн и может использоваться для определения качественных и количественных характеристик различных диэлектрических материалов, в том числе жидких, газообразных, сыпучих с различной степенью дисперсности частиц, в широком диапазоне значений измеряемых параметров, например, влажность, температура, объемные и весовые соотношения смесей, сплошность, расход, однородность и др

 

Наверх