автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:СВЧ методы и устройства измерения электрофизических параметров жидких диэлектриков с потерями

На правач рукописи

ФЕДЮНИН ПАВЕЛ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СЗЧ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗХИДКИХ ДИЭЛЕКТРИКОВ С ПОТЕРЯМИ

С5.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ,материалов и изделий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Московском государственном университете инженерной экологии и Тамбовском высшем военном авиационном инженерном училище им.Ф.Э.Дзержинского

Научный руководитель:

доктор технических наук,профессор И.В.Кораблев.

Научный консультант:

кандидат технических наук, доцент Дмитриев Д.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,профессор Стальнов П. И.

кандидат технических наук Тен В.В.

Ведущая организация - Тамбовский государственный технический университет |

Защита диссертации состоится " 2.5 " Декабре 1394г. в -14 час. 00 мин. на заседании специализированного совета Д063.44.02 в Московской Государственной Академии Химического Машиностроения по адресу: 107334, ГСП, Москва,Б-66, ул.Старая Басманная, д. 21/4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат диссертации разослан "2А" 1997 г.

Ученый секретарь Совета, к.т.н..доцент

Г.Д.1Ш10В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В процессе разработки новых специальных композиционных материалов ,отработки технологии их производства,контроля качества готовой продукции возникает необходимость определения электрофизических параметров гетерогенных дисперсны?: жидких сред с потерями, важнейшим из которых является диэлектрическая проницаемость £ и удельная проводимость т, а также параметры, с которыми связаны их изменения.

Необходимость контроля вышеуказанных электрофизических параметров гетерогенных дисперсных жидких сред в диапазоне СВЧ обусловлена: во-первых, необходимостью знания свойств гомогенных или гетерогенных дисперсных жидких сред именно в сантиметровом диапазоне, т.к. в более низкочастотном диапазоне свойства сред другие из-за дисперсии г и г;

во-вторых, специальные гетерогеннные жидкие среды, содержащие частицы поглотителей и магнитодизлектриков, в диапазоне СВЧ проявляют свои гиромагнитные свойства и сопутствующие им эффекты взаимодействия стоячих и бегущих волн только лишь в присутствии внешнего подмэгничивания;

в-третьих, при намагниченности выше насыщения, указанные жидкости обладают практически псевдокристаллической структурой ориентации твёрдых частиц, что делает необходимым исследование эффекта ори-ентационной (относительно вектора е" СВЧ поля) зависимости диэлектрической проницаемости от формы диспергированных частиц и их размера, с возможностью управления диэлектрической проницаемостью смеси внешним магнитным полем изменяя его пространственную ориентацию.

Существует также необходимость общей классификации СВЧ устройств измерения электрофизических параметров жидкости на бегущих и стоячих волнах. Для устройств на стоячих волнах решены частные задачи нахождения информационных параметров при наиболее интересных случаях расположения анализируемого объема среды в объёмных резонаторах (ОР). Однако - до сих пор нет сравнения информационных параметров ОР с разными структурами полей, отсутствует общая методика расчета полной добротности колебательных систем в функции измеряемой проводимости, с учетом информационного вывода анергии (минимаксная задача); отсутствует обоснование и классификация общей методики проектирования методов и устройств измерения информационных параметров ОР в функции диэлектрической проницаемости и удельной проводимости; мало исследован оптимальный метрологический выбор их параметров.

Практически все известные устройства являются устройствами л бораторного типа с ручной настройкой без применения микропроцессс ной техники. Волноводные устройства измерения электрофизических п раметров жидких сред с потерями в режиме бегущих волн мало разраб таны и исследованы.

Резкое разграничение волноводных и резонаторных методов оказ вается несущественным, так как имеется адекватная аналогия между р зонансной частотой и фиксированным набегом фазы, добротностью и п гонкш затуханием. Практически не исследованы ОР сложной формы, на ример силъфонные, с легко управляемыми геометрическими параметрами

Таким образом, задача разработки методов и устройств СВЧ кон роля электрофизических параметров жидких сред с потерями актуальн Работа. выполнена на основании "Основных направлений развития воор жения и военной техники ВВС РФ на период до 2005 года" и "Планом Н ОКР ВВС РФ до 2000 года".

Цель работы заключается в разработке и исследовании комплек СВЧ резонаторных и волноводных методов и устройств определен электрофизических параметров дисперсных жидких сред, отличающих повышенными точностью и чувствительностью, и шротами функциональн ми возможностями.

Задачи работы. Для достижения указанной цели необходимо реши следующие задачи:

1) произвести анализ существующих СВЧ методов определения де дектрической проницаемости и удельной проводимости и связанных с я ми параметров, попытка адекватной классификации СВЧ методов и ус ройств;

2) обосновать выбор структур полей бегущих и стоячих волн вектора параметров (варьируемых и неварьируемых) измерительных пр образователен на бегущих и стоячих волка;':;

3) произвести расчет информационных параметров предложена методами на основе разработанного метода "эквивалентных" реактивно тей , получить рекурентные зависимости для колебания Н01Р как нзиС лее информационноемкого колебания и произвести сравнительный метр логический анализ информационны:': величин;

5) разработать СВЧ методы и устройства на стоячих и бегун волнах для определения электрофизических параметров специальных жг костей, произвести оптимальное проектирование, метрологический аг лиз и экспериментальные исследования методов и устройств.

О ~

Научная новизна. Разработаны методические основы проектирования комплекса методов и устройств на ОР и волноводах для измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости. На основе разработанного метода "эквивалентных" реактивностей получена адекватная модель зависимости информационных параметров ОР для основных колебаний и проведён их метрологический анализ. Разработана методика расчета общей добротности с учетом потерь на информационный вывод энергии. Разработаны совокупность методов и устройств измерения диэлектрической проницаемости спецжгдкостей:

а) метод стабилизации резонансной частоты при измерении диэлектрической проницаемости посредством:

адекватного изменения длины двухсильфонного ОР,

адекватного перемещения анализируемого объема жидкости,

"палевой" компенсации, т.е. изменением эквивалентной емкости за счет изменения свойств специального компенсационного объема гиромаг-нетика;

б) азтогенераторяые устройства и методы на двух слабо связанных СР с колебаниями'Ноц-^Нои и Нон4-! колебаниями о полевой компенсацией ;

в) разработаны кондуктометрическпе устройства на ОР с колебаниями Нои, Еою ° полевой компенсацией, изменением длины ОР для разных объемов жидкостей.

В работе показала необходимость применения волководных устройств дде измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости работающих в режиме бегущих волн. Разработаны устройства измерения комплекса параметров ферромагнитных жидкостей (ФШ), обладают;®. расширенными функциональными возможностями.

Практическая значимость работы. Разработаны математическое и метрологическое обеспечение разработанных способов и устройств. Разработаны устройства с колебаниями Нои и Еою резонатарного типа. Рассмотрены возможности применения этих устройств для определения параметров ГСМ и спецграфитовых ферромагнитных суспензий. По заказу НТК ВВС разработан и внедрен в практику волноводкый измеритель комплекса паралетров жидких спецпокрытий летательных аппаратов.

Реализация результатов исследования. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах "Резонатор 95" и "Резонатор 97", проводимыми Тамбовским Высшим Военным Авиационный Инженерным Училищем им. Ф.Э.Дзержинского и подтверждены двумя положи-

тельными решениями на выдачу патента. СВЧ установка измерения комп лекса параметров жидких сред с потерями прошла стендовые испытания внедрена в практику аналитического контроля служб ГСМ в/ч 18216 Балашовского ВВАУЛ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались нз 4-ой и 5-ой Межреспубликанских конференциях /Тамбов-1995 и 1997гг./ 1-й Всероссийской конференции / Москва, МГТУ им.Баумана-1994/;1-Всероссийской электрохимической школе /Тамбов-1995/.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения 5 глав, заключения .списка литературы и 9-и приложен™, изложена на 17 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков,4 таблицы и 11 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш и указаны направлен!: разработки СВЧ-резонаторных способов и устройств контроля электрофг зических параметров гетерогенных дисперсных жидких сред с потерями дана краткая характеристика содержания работы по главам.

В первой главе изложены методические основы разработки комплек са методов и устройств на ОР и волноводах для измерения диэлектрк ческой проницаемости и удельной проводимости.

Основным информационным параметром лежащим в основе измерен:-: (определения) всех остальных параметров объемных резонаторов как СЕ ПШ1 является резонансная частота Гсез 0»> т.е. необходимо, чтобы С при изменении свойств объёма заполняющего его жидкости постоянно к ходился в резонансе:

1г=*»еа ор( а ) , (1

где £г - частота задающего генератора развязанного с ОР; "а" - вектор переменных и постоянных параметров ОР.

Раскрыты физическое и конструктивное содержание составляющ-вектора- . таких как геометрические размеры и форма ОР, форма размещение исследуемого объема внутри ОР, тип волны, тип подмагнич:-вания и форма компенсационного СВЧ-феррита, рассматриваются частое кыэ методы измерения е и г и их варианты в узком и широком дкапазс нах измерения е и г.

Одним из основных методов частотных измерений £ и г являете

метод измерения параметра составляющего вектора а4 как меры измеряемого параметра составляющего вектора аа - диэлектрической проницаемости или удельной проводимости при обеспечении постоянства резонансной частоты рабочего ОР.

Вторым методом частотных измерений диэлектрической проницаемости г является метод настройки ОР в резонанс внешним задающим генератором при изменении величины г исследуемой жидкости и измерение 1Гг. При этом выбираются оптимальные тип ОР, расположение, форма жидкости и тип возбуждаемых колебаний в соответствии с выбранным ОР.

И, наконец, третий метод частотных измерений £ - это комбинированный метод, который включает в себя алгоритмы первых двух.

Таким образом, на основании вьшерассмотренных методических основ разработки комплекса методов и устройств измерения £ и т на СВЧ следует постановка задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке методики расчёта информационных параметров цилиндрических ОР с разными структурами возмущённых Етпр и Нщпв полей при различных формах объёма взаимодействующих жидкостей и их сравнительному анализу.

Рис.1 Расчётная схема информационных параметров ОР колебаний Еою и Ноц: Сх,С2,С-з - ёмкости ЦОР; И - высота столба жидкости; Ь -радиус трубки ; а - радиус ОР ; с-высота резонатора, 1- устройство снятия вырождения, 2- устройство "полевой" настройки в резонанс.

Для эффективного измерения параметров жидких диэлектриков о потерями (г и г) необходимо получить зависимость резонансной частоты и добротности ОР от вектора параметров "а" , важнейшими из которых яв-

дяются радиус - а, высота - с, форма измеряемого объёма жид] величины £ и т и структуры осесимметричных колебаний Еою, Но1Р- Расчёты информационных параметров велись разработанным методом "эквивалентных" реактивностей. Наиболее приемлемой и формой объёма жидкости в ОР для любого вида колебаний является нологически простая схема помещения жидкости в диэлектрически бопровод с переменным уровнем жидкости (рис.1), частными ащ которого являются случаи с горизонтальным расположением тщ (а=Ь и и с аксиальным расположением жидкости (Ь=1,а>Ь).

Получено выражение резонансной частоты, деформированных н; ем жидкости с параметром е-относительной диэлектрической про] мостью, колебания Еою;

1.15-103

-возм=

Ji(2.405b/a) + Jo(2.405b/a)

(Ji (2.405)- (b/a) Ji (2.405b/a))* s • Ji (2.405b/a)

+

Jl2(2.405) e-(l-hc)+hc --(b/a)"

Jl(2.405b/ a)+Jo(2.405b/a)

где Ji.Jo -функции Еесселя; hc=h/o -нормированный уровень жидкс Впервые нами получено выражение общей добротности рабоче (POP) с колебанием Еою, учитывающее потери в среде и потери i форыационный вывод энергии, с учётом условия оптимального соглг ния POP с нагрузкой:

О.67•105•fвоам•£о"М

Осум = Ё " ,

Тж-hc-Q.67-10° + fE03м-£о-Ы

где М =F(s,hCja,b).

Следствием полученных общих решений являются частные ре для случаев горизонтального расположения жидкости в POP (a=b и и полного заполнения трубопровода (Ь<а и h=l).

Для общего и частных случаев получены совокупность теорет ких и экспериментальных зависимостей резонансных нормируемых * и общей добротности в ОР в функциях вектора конструктивных пар ров ОР и информационных параметров е и т.

На основе анализа этих характеристик сделан вывод о высокой чувствительности частоты и общей добротности к измеряемым величинам s и т.

Нами поставлена и решена задача нахождения резонансной частоты колебания Нои при произвольной функции образующей осесимметричного объема анализируемой жидкости и следующего из его решения определения параметров 1"рйа и Осум:

а) для случая частичного заполнения трубопровода

1/2

2С • -се• (е- 1) • (hc- (l/stt) • sin (2rthc)) +F>

Ив = W0--775- . (4)

(f)1/2-{(l- cos(íthc)) • (В + гА) + (1 + cos(ithc)) - С}

(йв ■ £о • 105 • ((£-1) • Е ■ f 1+f2) • (s ■ f 1+f2))

Осум = -s- ' (5)

[Ua-So-1.5-((s-l)-E-fl+F) + T'E-kl-10 3•(S-kl+kS)

где fl,f2=F(hc); A,E,C,D,E,F - ¡штегралы функций Бесселя и интегралы Ломмеля ;

б) задача решена для частных случаев - горизонтального расположения жидкости в ОР и заполненного трубопровода. В частности для аксиального расположения жидкости информационные параметры выведены с учётом влияния параметров самой трубки.

По условиям возбуждения колебания Нои в POP, величина нормируемого уровня не может превышать.О.5 .Отсюда следует необходимость применения колебания Hoip, позволяющего измерять малые величины электропроводности при значении нормированного уровня близком к единице. Нами предложен новый подход к расчету информационных параметров ОР колебаний Hoip на основе знания информационных характеристик колебания Нои-- ОР разбивается на Р-ячеек, так что максимально возможное количество жидкости в ОР: hmax= -t(2Р - 1)/2Р>-с , и получаем рекуррентные формулы для расчета fpes и Осум- Анализ добротности многозвенной модели ОР показывает практическую инвариантность добротности к индексу Р.

Сравнение информационных характеристик колебании Бою и Ноц при аксиальном расположении жидкости (наиболее интересном для практики) при 0<hc<l позволяет сделать следующие выводы:

колебание Ноц в широком диапазоне измерения £ имеет более высокую и постоянную чувствительность к изменению s и hc;

относительная погрешность настройки в резонанс в зависимости от

изменения £ при разных нормированных уровнях дозы жидкости для коле бания Ноц на несколько порядков лучше чем для колебания Еою-

Сравнение информационных характеристик этих колебаний при гори зонтальном расположении жидкости показывает, что колебание Ноц. более чувствительно при измерении £ при Ьс<0.1 . С точки зрения точ ности реализации уровня доаы жидкости, колебание Еою менее чувствительно к погрешностям дозы. Учитывая влияние величины удельной про водиыости жидкости на точность определения е, приходим к выводу, чи колебание Ноц, судя по значениям погрешностей, предпочтительне:

для измерения г гетерогенных дисперсны жидких сред. На ри 2. показано распреде ление относительно: погрешности Дг/£ дл колебания Нон пр: г=1 См/м. Погрешность: определения £ практи чески до т=10-1 См/ можно пренебречь. Н рисунке выделена оп тимальная область дл выбора пределов изме рения и величины нор мированного уровня где погрешность ыень ше 1%.

Третья глава посвящена разработке методов и устройств измерени диэлектрической проницаемости жидких сред с потерями. В этой глав последовательно рассмотрены несколько методов и устройств реализую щие способы измерения £ на постоянной, стабилизируемой разными спо собами, резонансной частоте РОР и частотные (автогенераторные) мето ды измерения е.

Устройство на двухсильфонном ОР с аксиальным расположением жидкости является преобразователем величины £ в длину резонатора или избыточное давление. В нем используется колебание Нон для которого, как показано в работе, сильфоняый ОР является "гладким"

д£

£

ол

ВД

т=1 С-м/М

ел £

Рис.2 Относительная погрешность определения диэлектрической проницаемости жид-гак сред с т=1 См/м в зависимости от изменения е и нормированного уровня дозы.

ОР перемен-ной длины.

На рисунке 3 показана экспериментальная зависимость длины резонатора от величины £.

-,-!-!-1-1-1-1-1-1-»

1 5 10 20 30 40 ... 81 Вт

Рис.3 Экспериментальная зависимость длины сильфонного ОР от величины диэлектрической проницаемости.

Проведён оптимальный выбор параметров устройств для адаптации к разным пределам измерения е.

Необходимость разработки метода и устройств измерения диэлектрической проницаемости и концентрации с перемещением анализируемой жидкости при обеспечении постоянства резонансной частоты объёмного резонатора и равенства Грез ор=?г заключается в возможности преобразования величины диэлектрической проницаемости г или концентрации исследуемой жидкости в механическое, перемещение, в эквивалентное величине диэлектрической проницаемости £ или концентрации избыточное давление, а также в возможности прямого регулирования концентрации жидкой среды по £ смеси.

Сущность разработанного способа измерения диэлектрической проницаемости заключается в том , что при изменении величины диэлектрической проницаемости г меняется резонансная частота ОР, для возвращения в резонанс перемещают постоянный объём жидкости в другую по интенсивности зону взаимодействия дозы исследуемой жидкости с кза-зистационарным полем объемного резонатора так , что 1чрез 0р= =1"г=сопз1. Зто способ настройки ОР в резонанс на постоянную внешнюю частоту.

Для этого случая получена зависимость перемещения постоянной дозы жидкости вдоль ОР, как функции величины диэлектрической проницаемости жидкости, рассмотрены устройство и работа узкодиапазонного измерителя диэлектрической проницаемости при этом способе и вариант

его исполнения. Погрешность определения е при использовании токовс АЛИ - 2.5% , а пневмо АПЧ - 47..

Методы измерения диэлектрической проницаемости анализируемо пробы жидкости, когда ГреэРор^г^СЮ^аПа, должны реадизовываз алгоритм формирования частоты СЕЧ АГ в функции измеряемого парамеч ра.

Предложенный нами метод измерения диэлектрической проницаемое! жидкости, являясь автогенераторным, в принципе свободен от его глаЕ ного недостатка - не стабильной работы перестраиваемого АГ. Это дос тигается путем развязки рабочего ОР и ОР АГ и управления параметрам ОР АГ синхронно по изменению параметров РОР, сохраняя высокую до£ ротность ОР АГ, т.е. высокую эталонность колебательной системы АГ Так же необходимо конструктивное объединение двух ОР в единый блок согласованной, но очень слабой связью между ними.

Алгоритм АПЧ в частотных измерениях следующий: производится ул равление параметром ОР АГ, определяющим частоту АГ, сигналом завися щим от параметра колебательной системы РОР.

Нами разработаны два варианта устройств автогенераторов: на двух связанных цилиндрических ОР с колебаниями Нои, более малогабаритный и чувствительный АГ с использованием в ка честве ОР АГ коаксиального ОР, в емкостном зазоре которого располо жен давинно-пролётный диод или диод Ганна.

ОР АГ настраивается в резонанс током подмагничивания кольц компенсационного СЕЗЧ-феррита в коаксиальном ОР АГ. Было получен уравнение "полевой" компенсации для Т-волн системы двух слабосвязан ных ОР:

( Л(0.81+0.19г)1/2 - 1.73 - 0.31?£ ч1/2

1= - , А . (6

^ 0.58 + 0.115 /

Основными источниками погрешности являются - применение пр построении модели метода "малых" возмущений и приближенное выражени для ц.(Н0), неучёт влияния того, что Методическая погрешност

составляет порядка 1.2%.

В четвёртой главе рассматриваются устройства измерения удельно проводимости жидких сред в диапазоне СВЧ, т.е. кондуктометры. Нам разработан кондуктометр с применением колебания Еом, реализующи: алгоритм определения т жидкости по измеренной добротности ОР. Удедь-ная проводимость жидких сред связана с добротностью следующим выра

жением:

2 _ о ,•2.405 ^ 2 2 2 2

«ою-

1

Гж=---I---У ,

а -V 2 2 2 2

•ео--и1(2.405)+Ло--Ь -(ех(Ь /а ) - (Ь /а )>

\ а ) 1

2 2 2/2.405 \ 2/2.405 \ (Ь /а )-{.Ц--Ь^+Ц--Ь)

2,2, , ,2^2.405 л г-2(3.405 ^ Осум 0и5М

а / V. а / (7)

где Ос ум - добротность,вызванная потерями в стенках резонатора и ввод-вывод энергии. Оизм - измеренная добротность. Обобщенная структурная схема измерительной ячейки показана на рис.4.

2 1

О Ь г0 а г

Рис.4 Обобщенная структурная схема измерительной ячейки: 1. -цилиндрический ОР, 2. - компенсационный объем СВЧ-феррита, 3. - объем исследуемой жидкости (горизонтальное или аксиальное расположение), 4. - соленоид.

Исследуемая жидкость помещается аксиально в трубопроводе. Вплотную к боковой стенке находится объём компенсационного СВЧ-фер-рита в виде кольца, постоянное магнитное пола медленно меняющейся напряженностью Н0 направлено по оси ОР. Величина расстройки ОР с колебанием Еою, вызванная изменением магнитных свойств феррита, определяется выражением:

Го

Мв ыг

2 2 2 с 2/2.405 \ 0.5ц(Но) • (а +Го).Ы2.405)+Мо-] .11 (—---^гс!г

1/2

Го

2 2 2 г 2/-2.405 \

0.5ц(Н) • (а +го)11(2.405)+Цо-] --г|гс1г

• (£

0

где р.(Н0),ц(Н)- значения диагонального компонента тензора маг нитной проницаемости СВЧ-феррита .соответствующего начальной и тек^ щей напряжённости постоянного магнитного поля.

Алгоритм работы предлагаемого измерителя г предусматривает пос тоянство частоты ОР.при этом расстройка резонатора .вызванная иэме нением диэлектрической проницаемости жидкости .компенсируется варь ированием величины диагонального компонента тензора магнитной прош; цаемости феррита током подмагничивания,т. е. уравнение полевой комле* сации частоты имеет вид:

= ^в/Гп , (Е

где определяется выражением (2).

Решение уравнения (9) показывает, что нормированный к магнитной проницаемости вакуума диагональный компонент ц,(Н) практичес? линейно зависит от потока подмагничивания в пределах 0.25-0.6Е Варьирование нормированного радиуса трубопровода приводит к уменык нию наклона кривых зависимости г от р.(Н0) ■ Нагруженная добротное1! ОР является мерой г жидкости. Анализ решения выражения (8) позволяв сделать следующий вывод, что путём варьирования нормированного рад* уса трубопровода и с учётом г жидкости возможно обеспечить определи

ние г в диапазоне от 10"° до 10~3См/м.Область линейной зависимости от измеренной добротности ограничена 1-1.5 порядком г. Расширен* диапазона измерения у в сторону меньших т ограничена величиной Ос^ колебания Еою, а в сторону больших - физически реализуемым диамеч ром трубопровода.

Поэтому - главный недостаток кондуктометра с колебанием Еою невозможность определения водных растворов (у которых наблюдаете рост т в диапазоне СВЧ,зависящий от температуры и засоленности во; и электропроводности жидкости с высоким значением Тж- В целях рас ширения диапазона в сторону- больших тж предлагается использова1

О

кондуктометр с колебанием Нон- Рассмотрена возможность применения переменного уровня, что существенно расширяет диапазонов измерения удельной электропроводности исследуемой жидкости на область 1-Ю2 СМ/м. Измерения предлагается проводить так же на постоянной резонансной частоте колебания Нон за счёт компенсационного СВЧ-феррита, находящегося в постоянном поле подмагничивания. В варианте кондуктометра с трубопроводом переменного уровня с колебанием Нон Для расширения диапазона электронной перестройки предусмотрен вариант изменения длины ОР при помощи ирисовых диафрагм.

В пятой главе рассмотрены волноводные методы и устройства измерения параметров специальных жидких сред, применяемых для противора-диолокационной защиты ЛА. В процессе производства искусственных маг-нитодиэлектриков , важнейшими параметрами являются объемная концентрация ферромагнитных (магнитодиэлектрических) частиц (ФМЧ) в жидкости- носителе, среднеинтегральный размер частиц, электрофизические параметры ^ и е& смеси, коэффициент затухания и условный параметр, характеризующий средний по объёму химсостав.

Наш разработано устройство для определения комплекса параметров жидких композитных искусственных магнитодиэлектриков . Работа была выполнена по заказу НТК ВВС при ГШ ВВС РФ в/ч №44386 на основании планов по Основным направлениям развития вооружения и военной техники ВВС на пероиод до 2005 года и плана НИОКР ВВС на период до 2000 года. Имеются акты реализации и внедрения разработок /13/.

Необходимость применения волноводных методов измерения концентрации ФМЖ, использующих свойства магнжгоанизотропии (гиромагнитные свойства в присутствии постоянного поля подмагничивания Н0), обусловлена следующим:

а) резонаторные методы малочувствительны и неточны, когда измеряются параметры ФМЖ с большой величиной удельной проводимости, например, феррито-графитовые жидкие смеси;

б) волноводные методы без постоянного поля подмагничивания хороши в случае, когда величина еч-диэлектрическая проницаемость частиц сильно отличается от ен-диэлектрической проницаемости жидкости-носителя;

в) преимуществом применения волноводных методов в присутствии поля Н0 для измерения параметров ФМЖ является их инвариантность к вариации удельной проводимости;

г) по сравнению с устройствами по пункту б), когда практически

У всшюводных методов с полем подмагничивания Но погрешнее:! измерения даже уменьшается , а резонаторные здесь вообще не работах (не селективны).

Разработаное устройство для измерения комплекса параметров ,фе; ромагнитных жидкостей (ФМК) осуществляет измерение концентрации Ф!< методом стабилизации угла поворота плоскости поляризации калиброва! ного отрезка зоны взаимодействия, выходным параметром является кс тока подмагничивания от объемной концентрации ФМЧ:

^орез

А1/с _ D 1+(Мн/Норе3)-А1/с

1под.=1о--7ТГ =1о' Г7Г • (1С

А - 1 1-А

где D=1+0víh/HopgS. ); Io=(27tfr/krki) = (Hü/ki). Устройство снабжено микропроцессорной коррекцией измеряемой ве личины от изменения s дисперсной системы методом стабилизации набег фазы, Оно позволяет определять дисперсионный состав жидкости на ос ковании эффекта зависимости г смеси от внешнего поля подмагничив; ния, а также интегральную проводимость смеси, характеризующую ее химический состав. Анализ совокупности погрешностей и результаты экс периментальных исследований позволяют аттестовать устройство к; тестер комплекса параметров Mt со следующими данными:

погрешность определения объёмной концентрации ФМЧ-не более 5 * измерение степени дисперсности частиц обеспечивает точность j порядка частиц;

измерение t жидкости - с погрешностью не более 2%; вероятность определения параметров тестируемой смеси при удоь летворяющей заказчика точности определения характеристик ШК г двумстам закрытым пробам - 92%, измеряемые параметры шестнадцаи закрытых проб отличаются от данных заказчика, оказались вне пределе точности необходимой заказчику из-за возможной коагуляции ®гЯ.

Эффективное использование сильфонных отрезков волноводов позве лило разработать сильфонный волноводный измерительный преобразовг телъ величины диэлектрической проницаемости в силовые величины, кс торый обладает повышенными метрологическими характеристиками.Уравне ние аналитической статической характеристики имеет вид:

1/2 , СМ D + s-E > 10

Р- ki-

V1? •{ Е + £• А > -Xr-fl-k2(Wa)E}1/2

где к1-коэффициент,учитывающей геометрические размеры сильфона, А,В,С,Б,Е,Р - интегралы функций Бесселя и интегралы Ломмеля ;

Экспериментальная зависимость Р=1"(СХ) эмульсии "растворитель-мелкодисперсный графит" показана на рис.5 (гграант^раст).

Рис.5 Экспериментальная зависимость избыточного давления от концентрации ФМЧ.

ОСНОВНЬЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны основы методики проектирования СВЧ устройств измерения электрофизически параметров жидкостей с потерями.

2. Разработаны методы расчета информационных параметров( резонансной частоты, добротности,) колебаний Еою и Hmnp цилиндрического объемного резонатора как ПИП резонаторного типа с диэлектрическим и магнитным объемами различных форм и проведён ж сравнительный анализ.

3. Разработаны методы и устройства измерения диэлектрической проницаемости жидких сред с потерями на постоянной, стабилизируемой разными способами, резонансной частоте POP и частотные (автогенераторные) методы.

4. Предложены измерители удельной проводимости гетерогенных дисперсны;-: жидких сред с "полевой" компенсацией частоты настроики ОР посредством изменения магнитных свойств постоянного гиромагнитного объема с использованием колебаний Еою и Ноц. Проведён анализ влияния на измерение т нестабильности величины z жидкости.

5. Разработан и прошел стендовые испытания комплексный измеритель параметров аш на Сазе круглого волновода, работающий в режиме бегущих волн и устраняющий влияние г дисперсной системы, по заданию НТК ВВС РФ.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных час: Полож.решение на выдачу патента по заявке N94007037 от 7.07 /Д.А.Дмитриев, М. А.Суслин,П.А. Фе дюнин.

2. Устройство для определения диэлектрической проницаемс жидкости :Полож.решение на выдачу патента по заявке N95106337 24.09.1996 / Д.А.Дмитриев ,М.А.Суслин, П. А.Федюнин.

3. СВЧ устройства пробоотбора в технике аналитического кот ля/ Д.А.Дмитриев,И.В. Кораблев,М.А.Суслин,П.А.Федюнин // Заводе лаборатория.-1995.-N12. С.13-17.

4. Методы и устройства СЕЧ-кондуктометр™ / Д.А.Дмитрг М.А.Суслин, Б.И.Герасимов, П.А.Федюнин // Заводская лаборатог -1996.- N7.-С.9-12.

Б. СВЧ объемные резонаторы в качестве измерительных преобрг вателей состава и свойств специальных жидких сред / Д.А.Дмитр* И.В.Кораблев.М.А.Суслин,П.А.Федюнин // Заводская лаборатория.-19Е N2.-С.14-16.

6. Универсальная блочно-модульная конструкция СВЧ устойств г литического контроля /Д.А.Дмитриев,П. А.Федюнин,Б.И.Герасг //Тез.докл.Российской электрохимической школы:-Тамбов,1995.-С.46-

7. СЕЧ-способ и устройство измерения диэлектрической прониг мости жидкости/Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин,П. А.Федюнин //4-я Bcepocci: кая НТК :Тез.докл. - Тамбов,1995. -С.375-376 .

8. Добротность цилиндрического ОР при аксиальном расположе проводящей среды /Д.А.Дмитриев, М.А.Суслин, П.А.Федюнин/Сборник ТВВАИУ.-1994.-С.20-21.

9. К вопросу измерения концентрации ФМЧ в СВЧ полях/Д.А.Дмит ев, М.А.Суслин, П.А.Федюнин, /Сборник НММ ТВВАИУ.-1994.-С.21-24.

10. СЕЧ-измерители состава и свойств жидкости с ферромагнитн частицами/Д.А.Дмитриев,П.А.Федюнин и др.// 1-я НТК:Тез.докл.- h ш.Баумана.-М.: 1994.- С. 60-61.

11. Полевые методы автонастройки частоты/Д.А.Дмитриев,П.А.Фе нин и др.//5-я Всероссийская НТК .-Тез.докл.- Тамбов,1997.-С.83-84

12. Сильфонные волноводы, резонаторы и замедляющие системы ПИП состава и свойств жидких сред/Д.А.Дмитриев,П.А.Федюнин и др 5-я Всероссийская НТК :Тез.докл.- Тамбов,1997.-С.84-85 .

13. Отчёт по НИР "Резонатор 95" №296/7.-Тамбов.-1997.

/