автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:СВЧ-метод и устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ферромагнитных жидкостей

На правах рукописи

КОТОВ Илья Олегович

СВЧ-МЕТОД И УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

05.11.13 — Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 0 [ '' - —Л

...... <-1.

Тамбов 2012

005016844

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТГТУ»),

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Чернышов Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Дмитриев Олег Сергеевич,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», профессор кафедры «Физика»

Малыков Константин Анатольевич,

кандидат технических наук, доцент, ФГКВОУ ВПО «Военный авиационный инженерный университет» Министерства обороны Российской Федерации, г. Воронеж, зам. начальника кафедры «Организация связи (и технической эксплуатации средств связи)»

Ведущая организация ОАО НИИ электроизмерительных приборов

«НИИ ЭЛЕКТРОМЕРА», г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится 24 мая 2012 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.260.01 при ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ФГБОУ ВПО «ТГТУ», Большой актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «ТГТУ» по адресу: г. Тамбов, ул. Мичуринская, д. 112.

Автореферат разослан 23 апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.А. Чуриков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 радиопогло-щающих 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 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 под-

магничивания данной физической системы разработан новый волновод-ный 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 волноводного 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 «Теплофизические 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. Работа изложена на 118 страницах, содержит 18 рисунков и 42 наименования библиографического указателя.

Автор выражает глубокую благодарность д-ру техн. наук, профессору П.А. Федюнину за консультативную помощь при подготовке диссертации.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и дана общая характеристика диссертационной работы.

В первой главе рассмотрены основные, наиболее часто применяемые на практике, свойства ФМЖ. Рассмотрены основные физические эффекты, происходящие в ФМЖ при взаимодействии с электромагнитными волнами СВЧ-диапазона как при отсутствии, так и при наличии внешнего постоянного магнитного поля.

Приведён обзор, анализ и классификация основных существующих СВЧ-методов измерения электрофизических параметров ФМЖ в СВЧ-диапазоне. В результате проведённого анализа выявлено, что волноводные методы как наиболее подходящие для контроля параметров ФМЖ позволяют определить комплекс параметров ФМЖ, включающий диэлектрическую проницаемость и концентрацию. Наиболее перспективными с точки зрения простоты реализации являются волноводные методы, использующие режим бегущих волн и ряд эффектов взаимодействия бегущей волны как с намагниченной, так и с ненамагниченной ФМЖ.

В качестве прототипа выбрано устройство измерения диэлектрической проницаемости (действительной части), использующее условие существования бегущей волны в металлическом волноводе и обладающее рядом следующих недостатков, характерных и для ряда других измерительных устройств при использовании ФМЖ в качестве объекта контроля:

— низкая 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 определения комплекса параметров ФМЖ, включающего концентрацию и магнитную восприимчивость ФМЧ;

— громоздкость, сложность конструкции и высокая стоимость реализующего устройства.

В результате проведённого анализа определены цели и задачи исследования.

Во второй главе получена математическая зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от критической длины волны основного типа круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ, а также рассмотрены эффекты взаимодействия электромагнитной волны СВЧ-диапазона с ФМЖ в присутствии и отсутствии внешнего подмагничивания этой измерительной ячейки с целью выявления возможности их совместного применения для контроля комплекса параметров исследуемой ФМЖ.

Для устранения гальванического контакта исследуемой ФМЖ со стенками волновода предлагается использовать диэлектрический сосуд, заполненный ФМЖ. В этом случае получается система, состоящая из круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ, которая является трёхслойным волноводом (рис. 1). Условие существования бегущей волны в данной системе имеет следующий вид:

(1)

где - длина волны СВЧ-генератора, м; А7^' - критическая длина волны

Н\ \ (основная для круглого волновода), м.

Критическая длина волны Нц зависит от параметров заполняющей среды и вычисляется по следующей формуле:

^'=3,4 к(2) где а — внутренний радиус волновода, м; е'с[1 - средняя по зоне взаимодействия диэлектрическая проницаемость заполняющей волновод среды, вычисленная с учётом деформации линий электрической составляющей электромагнитной волны (рис. 1).

С использованием метода эквивалентных емкостей получена формула для вычисления средней по зоне взаимодействия диэлектрической проницаемости заполняющей волновод среды в следующем виде:

Рис. 1. Поперечное сечение волновода измерительной ячейки с силовыми линиями электрической составляющей электромагнитной волны

е'ср= 0,562/

1

-0,438 +

х 1,841

СМ

Ь-Ь& а

У^А

\

"см /

411,841^ а

1 1

J,2x

"СМ J

+ 1- —

Jo | 1,841- | +

1- —

V £ЛУ

Jl\ \т-а

(3)

где е'см - относительная диэлектрическая проницаемость ФМЖ (действительная часть); ЬА - толщина стенок диэлектрической ячейки, м; еЛ - относительная диэлектрическая проницаемость материала стенок диэлектрической ячейки; Ь — внешний радиус диэлектрического сосуда.

Из формул (2) и (3) получены следующие формулы для расчёта искомой диэлектрической проницаемости ФМЖ (действительной части) по критической длине волны:

f » и

Щ>

-ср

3,41а

I-Jo 1,841

V

(4)

+ 0,439——

-ср

./о! 1,841

ъ~ьЛ+Мт1 Ъ-Ъь

£ДУ

Jg| 1,841—l + ./ffl,841—

(5)

Формулы (1), (4) и (5) являются математической основой метода измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ по критической длине волны.

На базе предложенной измерительной ячейки (рис. 1) в дополнение к измерению действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ была решена задача увеличения числа измеряемых параметров ФМЖ (комплекса) за счёт использования совокупности следующих физических эффектов: эффекта затухания электромагнитной волны, прошедшей фиксированное расстояние внутри ненамагниченной ФМЖ для контроля мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости £*м исследуемой ФМЖ, а также совокупности эффекта поворота плоскости поляризации линейно поляризованной волны, прошедшей через продольно намагниченную ФМЖ (эффекта Фарадея), и эффекта «вытеснения» поля для измерения объёмной концентрации С\ исследуемой ФМЖ.

В третьей главе приведено описание метода контроля электрофизических параметров ФМЖ, позволяющего определить комплексную диэлектрическую проницаемость ФМЖ, концентрацию и магнитную вос-

приимчивость ФМЧ в ФМЖ. Также проведена оценка влияния материала стенок диэлектрического сосуда с ФМЖ на результаты измерения комплекса электрофизических параметров ФМЖ.

В основе разработанного метода лежит зависимость критической длины волны волноводной линии передачи (ВВЛП) для основного типа электромагнитной волны от геометрических параметров ВВЛП и электрофизических свойств среды, находящейся внутри волновода, а также зависимость угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, прошедшей через продольно намагниченную ФМЖ, от объёмной концентрации ФМЧ.

Метод осуществляется следующим образом. В ВВЛП (рис. 2), состоящей из последовательно соединённых с помощью плавных переходов трёх секций круглого металлического волновода различного диаметра, с помощью генератора СВЧ на длине волны генератора Я,- возбуждают основную волну Н\ 1 и устанавливают в линии передачи режим бегущих волн.

Рис. 2. Измерительная ячейка СВЧ-метода контроля параметров ферромагнитных жидкостей

Длина волны Хг выбирается из условия единственности существования основной волны Н\\ и отсутствия ближайшей моды £оь

Хг <3,41 а2;

-ср (6)

2,6 Ц <ХТ <3,4 Ц,

где а\ — внутренний радиус волноводов большего диаметра, м; а2 - внутренний радиус средней секции металлического волновода, м.

В средней секции волновода с внутренним радиусом аг расположен диэлектрический сосуд длиной Ь с исследуемой ФМЖ с диэлектрической проницаемостью есм и магнитной проницаемостью ¡1=1. С помощью приёмного вибратора В! и ортогонально расположенных вибраторов

В2, В3 измеряют напряжённости электрического поля в волноводной линии передачи перед волноводной вставкой с исследуемой жидкостью — Е\ и после неё - Е2, £3, которые затем используют для определения коэффициента затухания в круглом волноводе по формуле, учитывающей влияние поляризационной неустойчивости внутри круглого волновода:

20, аг=т1ё

/е! +е

дБ/м.

(7)

Далее увеличивают длину волны генератора Ат до момента отсутствия в ВВЛП бегущей волны и определяют критическую длину волны . Момент отсутствия в волноводной линии передачи бегущей волны

(момент «отсечки») определяют по нулевым показаниям детекторов приёмных вибраторов В2 и В3.

Среднюю по зоне взаимодействия диэлектрическую проницаемость заполняющей среды рассчитывают по формуле (4). Далее вычисляют

искомую диэлектрическую проницаемости ФМЖ (действительную часть) по формуле (5). Затем вычисляют искомую мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ е'м по следующей формуле:

р

а.

1-

0,086

-ср

^ср

а2

(8)

л-Кг -8,685

где К2 - коэффициент пропорциональности, учитывающий частичное заполнение волновода ФМЖ.

Установив длину волны СВЧ-генератора в первоначальное значение, проводят измерение концентрации ФМЖ и магнитной восприимчивости ФМЧ, для чего к измерительной ячейке прикладывают внешнее продольное намагничивание Но, создаваемое с помощью соленоида (рис. 2). Ток в соленоиде подмагничивания увеличивают до тех пор, пока угол поворота 0 плоскости поляризации электромагнитной волны вследствие эффекта Фа-радея не достигнет значения 71/4, что соответствует повороту вектора напряжённости электрической составляющей электромагнитной волны из

начального значения Ен в конечное

Рис. 3. Поворот плоскости £к (рис. 3). Индикацию значения л/4 поляризации линейпо поляризованной электромагнитной УГЛа поворота ПЛОСКОСТИ поляризации

волны под влиянием внешнего Электромагнитной волны ОСущеСТВЛЯ-

продольного подмагничивания Н0 ют по равенству токов двух детекго-

ров, соединённых с ортогонально расположенными приёмными вибраторами В2 и В3, что соответствует равенству ортогональных проекций Ех = Еу вектора Ек (рис. 3). Значение тока в соленоиде подмагничивания /под, соответствующее углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны 9 = я/4 пропорционально концентрации ФМЧ в ФМЖ и используется в дальнейшем для её вычисления.

Чтобы определить искомую объёмную концентрацию ФМЧ в ФМЖ, на следующем этапе вычисляют среднюю по зоне взаимодействия относительную магнитную проницаемость заполняющей среды по формуле:

г \2

М-ср =

1—

29

со.

'д/ЁойоЕф-^у

(9)

где £0 ~ 8,85 ■ 10~12 Ф/м — электрическая постоянная; ро ~ 1,25 • 1СГ8 Гн/м -магнитная постоянная; оз - круговая частота генератора, рад/с.

Затем вычисляют значение относительной магнитной проницаемости исследуемой ФМЖ для правополяризованной электромагнитной волны по формуле:

'2,4гЛ

Гс

А-Ал

Ь-Ьл

Ы;

1,803

где аи=-

6-Ьд !

71а?

Л

2,4 г

(10)

\rdi-

¿■1,803

+ 1 \rclr Г г}\ М

«2

К

а,

г \rclr

ка-,

Ь • 1,803

+ 1

\rclr

¿-Ад

!Л

о

м

а

г

'2 У

гс1г

функции Бесселя первого рода 0-го и 1-го порядка соответственно.

На следующем этапе проводят измерение магнитной восприимчивости х ФМЧ, для чего увеличивают ток в соленоиде подмагничивания, начиная со значения /под до момента смены вида поляризации электромагнитной волны с линейной на круговую, т.е. до возникновения эффекта «вытеснения» поля. Момент смены вида поляризации электромагнитной волны определяют по равенству показаний на двух ортогонально расположенных вибраторах В2 и В3, а искомую магнитную восприимчивость ФМЧ вычисляют по формуле:

ш 1

у =--1,

КЫг

где 1Г — граничное значение тока подмагничивания, соответствующее смене вида поляризации волны, А; кг — 2,21-105 м/(А-с) - гиромагнитное отношение; к\ - число витков на единицу длины соленоида, м-1.

Рие. 4. Блок-схема метода контроля электрофизических параметров ФМЖ

Используя полученные значения %, /под и , вычисляют искомого значение концентрации ФМЧ в исследуемой ФМЖ по формуле:

с =-

Ы1-

Х^Л 1П

(12)

J

Л.ОД.

Блок-схема метода контроля электрофизических параметров ФМЖ представлена на рис. 4.

В четвёртой главе приведено описание разработанного микропроцессорного устройства, реализующего изложенный выше метод контроля электрофизических параметров ФМЖ, а также методики расчёта волно-водного тракта с целью обеспечения требуемых метрологических характеристик.

Схема разработанного микропроцессорного СВЧ-устройства контроля электрофизических параметров ФМЖ приведена на рис. 5.

Рис. 5. СВЧ-устройство контроля электрофизических параметров ФМЖ

Устройство включает волноводную линию передачи, состоящую из 3-х отрезков круглого волновода различного диаметра 1-3 и одного отрезка прямоугольного волновода 4, соединённых между собой плавными волноводными переходами 5—7, причём секции 1 и 3 волноводной линии передачи имеют одинаковый диаметр, а секция 2 — меньшего диаметра; диэлектрический сосуд 8 с устройствами ввода 9 и вывода 10 исследуемой ФМЖ, имеющий в целях согласования конусообразные торцевые поверхности. Управляемый микропроцессором (МП) 11 перестраиваемый генератор СВЧ 12 возбуждает электромагнитною волну типа Н\\ с помощью вибратора В]. Устройство подмагничивания - соленоид 13, питаемый от управляемого МП источника тока (УИТ) 14, причём соленоид подмагни-

чивания расположен на отрезке круглого волновода 2 меньшего диаметра. Приёмные вибраторы В2, В3, В4 и В5 подключены к амплитудным детекторам 15 —18 соответственно, коммутацию которых осуществляет мультиплексор 19 под управлением МП. Для обеспечения режима бегущих волн в ВВЛП на торцевой поверхности отрезка прямоугольного волновода 4 установлена согласующая нагрузка 20 в виде поглощающего конуса, имеющего радиатор теплоотвода. Внутри круглого волновода большего диаметра 1 расположен фильтр волны Ет 21, состоящей из радиальных проводников. Вывод результатов измерений осуществляется с помощью индикатора 22.

Работа СВЧ-устройства осуществляется следующим образом.

В волноводной линии передачи с помощью устройства возбуждения электрического типа, вибратора Вь возбуждается волна магнитного типа Н\\ и устанавливается режим бегущей волны.

МП 11 с помощью мультиплексора 19 подключает приёмные вибраторы В2, В3, В4. На приемных вибраторах В2, В3 и В4 под действием электромагнитного поля бегущей волны Н\\ наводятся ЭДС, которые поступают на амплитудные детекторы 15-17. Полученные значения напряжённости электрического поля перед диэлектрическим сосудом с исследуемой ФМЖ и после него через мультиплексор 19 поступают на МП 11, где осуществляется вычисление по формуле (7) и сохранение коэффициента затухания электромагнитной волны.

Затем МП 11 уменьшает частоту СВЧ-генератора 12 до момента нулевых показаний на детекторах 16 и 17 — момента отсутствия сквозной бегущей волны в ВВЛП. По значениям критической длины волны и коэффициента затухания осуществляется вычисление комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ по формулам (4), (5) и (8). Длина волны СВЧ-генератора 12 по команде с МП 11 возвращается в исходное значение (восстанавливается режим бегущей волны).

Далее МП 11 с помощью УИТ 14 увеличивает ток в соленоиде под-магничивания 13 до момента равенства токов на детекторах 16 и 17, соединённых с ортогонально расположенными приёмными вибраторами В3, В4 и осуществляется его стабилизация, что соответствует повороту плоскости поляризации электромагнитной волны (вследствие эффекта Фара-дея), прошедшей через ФМЖ на 45°. Значение тока подмагничивания, соответствующее углу поворота плоскости поляризации электромагнитной волны, сохраняется в памяти МП 11.

Затем подключаются приёмные вибраторы В3, В4 и В5 и продолжается увеличение тока в соленоиде подмагничивания 13 до момента смены вида поляризации электромагнитной волны с линейной на круговую, т.е. возникновения эффекта «вытеснения» поля. Момент смены поляризации индицируется по отсутствию сигнала с выхода амплитудного детектора 18, так как в прямоугольном волноводе электромагнитная волна с вращающейся поляризацией не распространяется, и ЭДС, наводимая в приёмном

вибраторе В5, равна нулю. Значение тока подмагничивания, соответствующее границе эффекта «вытеснения» поля, сохраняется в памяти МП 11 для дальнейшего использования, после чего МП даёт команду на обес-точивание соленоида 13.

На заключительном этапе измерений с помощью МП 11 последовательно вычисляются магнитная восприимчивость ФМЧ по формуле (11) и искомое значение объёмной концентрации ФМЧ по формуле (12).

Результаты измерений комплексной диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ отображаются с помощью индикатора 22.

В результате исследований показано, что применение фильтра волны 21 в разработанном устройстве за счёт подавления волны Ещ позволяет расширить диапазон длин волн одномодового режима отрезка волновода 1, что расширяет диапазон измерений е'см более чем в 2,5 раза без увеличения погрешности измерений.

С целью улучшения метрологических характеристик разработанного устройства создана методика расчёта геометрических параметров элементов волноводного тракта, основанная на следующем.

Рис. 6. Зависимость динамического диапазона (I) и относительной погрешности (2) измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от приведённого к внутреннему радиусу волновода внешнего радиуса диэлектрического сосуда

Исследования показали, что динамический диапазон измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ зависит от коэффициента заполнения волновода с ФМЖ, т.е. отношения внешнего радиуса диэлектрического сосуда 8 к внутреннему радиусу волновода 2. Расчёты показали, что при уменьшении диаметра диэлектрического сосуда (уменьшении вклада ФМЖ в среднюю по зоне взаимодействия диэлектрическую проницаемость заполняющей волновод 2 среды)

динамический диапазон измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости е'см ФМЖ увеличивается при увеличении погрешности косвенных измерений (рис. 6). На основании этого факта создана методика расчёта геометрических параметров волноводов и диэлектрического сосуда, 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.

В пятой главе проведена оценка общей погрешности измерений параметров ФМЖ с использованием расчётных формул для её доминирующих компонентов.

В результате проведённой оценки погрешности измерений дополнительно установлено, что основными источниками погрешности измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ являются отклонения размеров элементов измерительной ячейки и диэлектрической проницаемости материала стенок диэлектрического сосуда. Основным источником погрешности измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ является погрешность измерения амплитуды напряжённости поля до и после диэлектрического сосуда с ФМЖ. Эта информация даёт предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

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 превышающим 50 мл.

5. Предложена методика расчёта оптимальных размеров элементов волноводного тракта в разработанном микропроцессорном устройстве контроля электрофизических параметров ФМЖ, позволяющая найти максимальный динамический диапазон измерений действительной части комплексной 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 проницаемости ФМЖ - менее 11 %; концентрации ФМЧ - менее 9%, что позволяет использовать разработанное средство измерения в практике синтеза и исследования получаемых ФМЖ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ'.

1. Котов, И.О. Неразрушающий контроль параметров ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов, В.Н. Чернышев, П.А. Федюнин // Контроль. Диагностика — 2010,-№4.-С. 16-20.

2. 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.

3. Котов, И.О. Электродинамическая модель поля волны Нц в частичноза-полненном волноводе круглого сечения / И.О. Котов, П.А. Федюнин, В.Н. Черны-шов // Вести высших учебных заведений Черноземья. - 2010. - № 4. - С. 23 - 27.

4. 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.

5. Заявка №2009106349/07 Российская Федерация, МПК6 G 01 N 22/00. СВЧ-устройсгво для определения электрофизических параметров и концентрации ферромагнитных жидкостей / Федюнин П.А., Котов И.О., Казьмин А.И., Чернышов В.Н., Завражнов Е.А. ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт). - Заявл. 24.02.2009 ; опубл. 27.08.2010, Бюл. № 3.

Публикации в других изданиях:

6. Котов, И.О. Методические 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., 2008. - Деп. в ЦСИФ МО РФ 17.11.2008, № В6943.

7. Котов, И.О. Измерение диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны // Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В.И. Вернадского : сб. материалов 3-й междунар. конф. - Тамбов, 2008.

8. Завражнов, Е.А. СВЧ-способ контроля параметров специальных авиационных жидких сред / Е.А. Завражнов, И.О. Котов // Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения : сб. докл. 9-й Всерос. науч.-практ. конф., 24-25 октября 2008 г. - Ярославль, 2008.

9. Котов, И.О. Оценка и способ увеличения диапазона измерений диэлектрической проницаемости ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. науч. ст. молодых учёных, аспирантов и студентов / ГОУ ВПО ТГТУ. - Тамбов, 2011. - Вып. II. - С. 66 - 70.

10. Котов, И.О. СВЧ-метод оперативного контроля теплофизических и электрофизических свойств ферромагнитных жидкостей / И.О. Котов // 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. II. - С. 206 - 208.

11. Котов, И.О. СВЧ-метод и устройство определения электрофизических параметров ферромагнитных жидкостей на базе критичного волновода // И.О. Котов, П.А. Федюнин, В.Н. Чернышов // Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования : материалы докладов / ТВВАИУ РЭ. - Тамбов, 2009. -Ч. II. - С. 393 - 399.

12. 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 Н 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.

13. Котов, И.О. Методика расчёта геометрических параметров волноводного тракта устройства контроля электрофизических параметров ФМЖ / И.О. Котов, В.Н. Чернышов, П.А. Федюнин // Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения : сб. науч. ст. по материалам всерос. науч.-практ. конф. 22-23 ноября 2011 г. / ВАИУ (ВИ). - Воронеж, 2011. - Ч. I. - С. 163 - 168.

Подписано в печать 23.04.2012. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 202

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

61 12-5/2975

ТАМБОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КОТОВ ИЛЬЯ ОЛЕГОВИЧ

СВЧ-метод и устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ферромагнитных жидкостей

Специальность 05.11.13- Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Чернышов Владимир Николаевич

Тамбов 2012

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

И ОБОЗНАЧЕНИЙ.............................................5

ВВЕДЕНИЕ...................................................6

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................... 10

1.1 Ферромагнитные жидкости и их применение..................Ю

1.2 Гиромагнитные свойства намагниченных ферромагнитных

14

жидкостей...............................................

1.3 Методы и устройства контроля параметров ферромагнитных

18

жидкостей...............................................1 °

1.4 Постановка задачи исследования............................32

2. ТЕОРЕТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ МЕТОДА КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ............34

2.1 Анализ условий распространения волны в круглом волноводе в зависимости от параметров заполняющей среды, выбор информативных параметров...............................35

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

48

круглого волновода......................................

3. МЕТОД КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ

ЖИДКОСТЕЙ.............................................63

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.............................................73

4.1 Описание устройства контроля параметров ферромагнитных

73

жидкостей..............................................' -3

4.2 Расчёт геометрических параметров элементов волноводной

линии передачи.........................................

4.3 Создание методики проектирования волноводного тракта.....88

5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СВЧ-МЕТОДА КОНТРОЛЯ

ПАРАМЕТРОВ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ...........101

4.1 Анализ погрешности измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ......... 101

5.2 Анализ погрешности измерения мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ферромагнитных жидкостей .. 103

5.3 Анализ погрешности измерения объёмной концентрации ферромагнитных жидкостей..............................Ю5

5.4 Анализ погрешности измерения магнитной восприимчивости ферромагнитных частиц .................................

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................. 112

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ.................... П4

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

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 функц�