автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:СВЧ методы и устройства контроля состава и свойств жидких сред с ферромагнитными частицами



МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

На правах рукописи

СУСЛИН МИХАИЛ АЛЕКСЕЕВИЧ

СВЧ МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА КОНТРОЛЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ЖИДКИХ СРЕЗ с ФЕРРОМАГНИТНЫМИ ЧАСТИЦАМИ

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996

Работа выполнена в Московской государственной академии химического машиностроения 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 Пушкин И.А.

кандидат физико-математических наук, доцент Рылов В.А.

Ведущая организация - Тамбовский государственный технический университет

Защита диссертации состоится в Щ час. мин. на заседании специализированного совета Д063.44.02 в Московской Государственной Академии Химического Машиностроения по адресу: 107884, ГСП, Москва,Б-бб, ул.Старая Басманная, д. 21/4.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке академии.

Автореферат диссертации разослан " " 199 г.

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

Г.Д.11ШШ0В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. В процессе разработки новых ферромагнитных материалов ,отработки технологии их производства,контроля качества готовой продукции возникает необходимость определения дисперсного состава гетерогенных систем с ферромагнитными (ФМ)частицами - феррожидкостей (<СМЖ), важнейшим параметром которых является концентрация частиц твердой фазы, содержащейся в жидкой среде. К примеру,концентрация магнитной суспензии носителей информации в значительной степени определяет ее плотность и сохранность;оптимальная концентрация СВЧ-феррита ради-опоглощзющих и переотражающих покрытий обеспечивает согласование со свободным пространством и степень поглощения электромагнитной волны (ЗМ); объемное процентное содержание взвешенных металлических фер-ровключений определяет степень износа техники; качество некоторых красителей напрямую связано с концентрацией феррочастиц Ре,N1,00.

Существующие методы контроля концентрации на некоторых этапах технологических процессов или не применимы, или обладают высокой погрешностью (субъективный контроль) и низкой чувствительностью (кон-дуктометрические и электромагнитные методы).

Современные технологии спецпокрытий летательных аппаратов (ЛА) и СВЧ-ферритовач изделий на всех этапах производства и разработки требуют контроля е диапазоне СВЧ обобщенной проводимости гетерогенной дисперсной системы с феррочастицами, характеризующую не только ее концентрацию , но и параметры технологического процесса,связанные с изменением обобщенной проводимости. СВЧ-резонаторные способы и устройства как системы с распределенными параметрами , обладающие высокой добротностью (до 50000) и значительной чувствительностью интегральных параметров (добротности,резонансной частоты,входного сопротивления) от характеристик магнитной суспензии,наиболее полно удовлетворяют этим требованиям.Кроме того,до настоящего времени практически не разработаны устройства в диапазоне СВЧ .характерным для которых является проявление специфических свойств взаимодействия с ЭМ полем стоячей волны феррожидкости в условиях внешнего подмагничива-ния постоянным полем - гиромагнитные свойства. Побочным применением этих эффектов может служить метод высокочувствительного экспресс-контроля содержания влаги и абразивных металлических <Ш частиц в авиационных ГСМ,использующий в качестве первичного измерительного преобразователя (ПИП) цилиндрический объемный резонатор (0Р),что

позволяет непосредственно уменьшить влияние этих свойств на безопасность полетов и сохранность авиационной техники .

Таким образом,задача контроля концентрации дисперсных систем с ФМ частицами далека от разрешения, и вопросы разработки совершенных и надежных измерителей обобщенной гетерогенной проводимости продолжают оставаться актуальными.Решению этой актуальной задачи и посвящена данная работа , выполненная в соответствии с планом НТК ВВС МО РФ на 1994 - 1997 гг.

Дель работы. Разработка и исследование СВЧ-резонаторных способов и устройств определения концентрации и обобщенной проводимости гетерогенных дисперсных систем с <Ш частицами,отличающихся повышенной точностью и чувствительностью.

■Задачи работы. Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи: провести анализ существующих измерителей концентрации ФМЖ; разработать метод "эквивалентных" сосредоточенных параметров для СВЧ колебаний Еою и Ноц цилиндрического ОР для расчета "возмущенных" резонансных частот и парциальной добротности; разработать СВЧ-резонаторные способы и устройства определения концентрации Ш частиц и обобщенной проводимости дисперсных систем; провести оптимальное проектирование, метрологический анализ и экспериментальные исследования этих устройств.

Научная новизна. Получены модели расчета "возмущенных" резонансных частот деформированных колебаний Еою и Нои цилиндрического ОР с аксиальным и горизонтальным расположением исследуемого диэлектрического объема при частичном заполнении резонатора и подтверждена их адекватность. На основе разработанного метода "эквивалентной" индуктивности для колебания Нои предложена модель возмущенной резонансной частоты ОР с гиромагнитным объемом в постоянном магнитном поле. Предложен способ настройки измерительного преобразователя в резонанс как разновидность метода полевой компенсации за счет управления магнитными свойствами ЗШ или спецкомпенсационного гиромагнитного объема. Разработаны СВЧ-резонаторные способы и устройства определения концентрации (ЕМ частиц в жидкости компенсационным способом с использованием высокодобротного колебания Нои на постоянной частоте,г также с помощью расщепления собственной резонансной частоты колебания Нщ цилиндрического ОР,позволяющее устранить вариацию диэлектрической проницаемости.

Практическая значимость работы. Разработано математическое и мет-

рологическое обеспечение созданных устройств. Предложено устройство с использованием колебания Еою для определения диэлектрической проницаемости и электропроводности с полевой компенсацией частоты посредством изменения магнитных свойств компенсационного объема СВЧ-феррита в постоянном поле подмагничивания.Рассмотрена возможность применения данного устройства для определения концентрации ФМ частиц с высоким тангенсом угла диэлектрических потерь и высокочувствительного экспресс-контроля нефтепродуктов на содержание влаги в поле СВЧ.Разработан комплексный измеритель параметров ФШ с вариацией структур полей резонатора.

Реализация результатов исследований. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательской работе "Резонатор-95" , проводимой Тамбовским высшим военным авиационным инженерным училищем им. Ф.Э.Дзержинского,и подтверждены 5 положительными решениями на выдачу патента.СВЧ-лабораторная установка по определению объемного содержания влаги и абразивных феррочастиц в авиационном керосине прошла испытание в службе ГСМ в/ч 18216.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на:

3 и 4-ой Межреспубликанских конференциях /Тамбов-1993 и 1995гг./; 1-й Всероссийской конференции / Москва, МГТУ им.Баумана-1994/;1-й Всероссийской электрохимической школе /Тамбов-1995/.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Структура и объем диссертации-. Диссертация состоит из введения,

4 глав,заключения,списка литературы и 3-х приложений,изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок,3 таблицы и 85 наименований литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш и указаны направления разработки СВЧ-резонаторных способов и устройств контроля магнитных суспензий,дана краткая характеристика содержания работы по главам.

В первой главе проведен краткий обзор существующих измерителей концентрации феррожидкостей.В обзоре анализируются отличительные особенности концентратомеров магнитной суспензии как дисперсных систем по измеряемым параметрам,показаны их возможные области применения. Проведена классификация ФМЖ по типу проводимости ФМ частиц и жидкости-носителя.

Определенный интерес представляют СВЧ-резонаторные методы измерений применительно к магнитным суспензиям ,так как в некоторых практических случаях существующие концентратомеры обладают рядом существенных недостатков или их применение затрудненно.Информационными параметрами, характеризующими концентрацию ЗМЖ.в названных методах являются удельное сопротивление, диэлектрическая и магнитная проницаемость гетерогенных систем,поэтому сделан краткий обзор СВЧ измерителей электрофизических параметров (г, г, ц) жидкостей вообще.С этой целью проведена классификация фидерных методов, сводящаяся к трем базовым схемам.

В особую группу входят резонансные методы СВЧ .наиболеее информативным параметром которых является резонансная частота колебательных систем,в общем случае входящая также в выражения для других интегральных характеристик резонатора. Обзор методов расчета резонансных частот показал,что погрешность метода "малых возмущений" растет с увеличением возмущающего объема,диэлектрической и магнитной проницаемости исследуемого образца, метод "сшивания" адекватен, однако', применим для расчета только колебаний типа Но1р с горизонтальным расположением среды и для получения аналитического выражения резонансной частоты необходимо решить сложное трансцендентное уравнение относительно коэффициента распространения.

Часто объемные резонаторы заменяются эквивалентными колебательными контурами .состоящими из конденсаторов и индуктивнос-тей. Приведен анализ этой замены и случаи введения "эквивалентных" емкостей и индуктивностей некоторых типов колебаний цилиндрического ОР. Как показывает анализ - эквивалентные параметры вводились только для пустых резонаторов, попыток использовать данные параметры для расчета "возмущенных" частот частичнозаполненных резонаторов с учетом оптимального расположения и формы измеряемого объема,имеющего один порядок с объемом ОР, не предпринималось.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ методов "эквивалентной" емкости и индуктивности расчета возмущенных резонансных частот деформированных колебаний типа Еою и Нои цилиндрического ОР.

Интерес к колебаниям Еою и Нои вызван тем, что граничные условия силовых линий электрического и магнитного полей имеют простой и наглядный вид в том случае, если они (силовые линии) параллельны или перпендикулярны границе раздела двух сред:воздух - иссле-

дуемая жидкость. Из всех типов низших колебаний в цилиндрическом ОР только колебания Еою и Ноц обладают осевой симметрией электромагнитного (ЭМ) поля.К примеру,электрические силовые линии колебания Еою начинаются на одной и заканчиваются на другой торцевой стенке,то есть параллельны трубопроводу и перпендикулярны горизонтальному уровню, а для колебания Нои - касательны объему пробы, так как представляют собой замкнутые концентрические ок-ружности(рис. 1,на котором показано направление электрических силовых линий этих колебаний).

Сг Иг.

а) б)

Рис.1. Расчетная схема "возмущенной" резонансной частоты колебаний Еою и Нои цилиндрического ОР

Рассмотрим цилиндрический 0Р,в котором возбуждается Еою (см. рис. 1а) с резонансной частотой

Урез =/

Ьэ'Сэ

колебание

(1)

где Сэ и Ьэ - эквивалентные емкость и индуктивность ОР для данного ЕтПр или Нщпр колебания.

Если жидкость в ОР не является магнитной (на^йэЭ.то ее наличие в резонаторе не приводит к деформации магнитных силовых линий и не нарушает структуру магнитного поля,характерную для невозмущенного колебания Еою в "пустом" ОР.В этом случае отношение частот частичнозаполненного (возмущенного) »в и пустого резонаторов ып

равно

ыв/ил = /сэп/с эв » (2)

Сэв .Сэп - эквивалентные емкости возмущенного и пустого резонатора. Методика определения Сэ следующая:

Сэ = lqIZ/2W ; q= $DdS ; W= (£a/2)•ÎEz dV, (3)

s v

где q - заряд, наведенный на торцевой стенке; S - площадь этой стенки; W - запасенная энергия электрического поля;еа - абсолютная диэлектрическая проницаемость.

Возмущенная Сэв колебания Еою расчитывалась как емкость многослойного конденсатора с учетом деформации электрических силовых линий аксиальной составляющей Е2 колебания Еою (см.рис. 16).Конечное выражение "возмущенной" частоты системы (рис.1) имеет вид

tas / h/1 + еж-(1 - h/1)

— =/- , (4)

ton V

где еж - относительная диэлектрическая проницаемость жидкости.

при Ь-»1 соотношение (4) принимает вид «в/ып = V 1/£ж . (5)

г

которое совпадает с теоретическим значением отношения двух частот полностью заполненого и пустого резонаторов,что доказывает адекватность модели (4) в предельном случае и преимущество разработанной методики "эквивалентной" емкости перед методом "малых возмущений".

К аксиальному расположению среды можно применить ту же методику (2) с учетом непрерывности аксиальной составляющей Е2 на границе воздух - трубопровод с жидкостью,тогда

2 2 2.405 2 2.405 2 2 /{a- Ji (2.405)+[Ji (-b)+J0(-b) • (£Ж-Ь-Ь-2МН£Т -2ЛЬ) ]>

(1)в/«п=/

2 2 2.405 Еж-Ь ЕТ-Д 2.405-{Ji(-Ь)-[-н -

2.4

b a 2

--- )+—Ji(2.405)>

2.4 2.405 2.4 ,(6)

a

где 10(1)(...) - функция Бесселя 1-го рода нулевого (первого) порядка; Ь - радиус трубопровода; ет- относительная диэлектрическая проницаемость трубопровода;Д - толщина материала трубопровода.

Соотношение (6),как и (4),обладает свойством (5):то есть предложенная методика позволяет производить расчет возмущенной частоты при горизонтальном и аксиальном расположении жидкости (в отличие от метода "сшивания" - непригодного для расчета колебания типа Еою) и показывает сходимость (5)- в отличие от метода "малых возмущений".

Применительно к колебанию Нои уже нельзя говорить о периодической перезарядке некоторого конденсатора поверностными токами, текущими по стенкам ОР,однако ОР как колебательная система не может не обладать некоторой эквивалентной емкостью.

В качестве условной обкладки плоского конденсатора была выбрана выделенная плоскость АВСБ, проходящая через ось г и по длине 1 резонатора (рис.1а). Замкнутые электрические силовые линии, имеющие только одну радиальную составляющую Еу .начинаются на одном и заканчиваются на другом конце бесконечно тонкой и проводящей плоскости АВСБ.Тогда относительная резонансная частота системы на рис.1 .принимая во внимание (2) и (3),равна

/4-{еж- СЙ/1-(1/2Я) ■51п(2ЛП/1)]+[1-Ь/1+(1/21Г)-31п(2яЬ/1)]>

=/-

/ <£ж-[1 - с0э(КЙ/1)] + [1 + соз№/1)]> , (7)

Аналогичным образом получено выражение резонансной частоты при аксиальном расположении (проточный трубопровод).

1/2

»8 АМВ+(£аж-1)-0> — - -(8

а(Ь) 3.832 а(Ь)2 3.832

где А(С)=П1(-г)с!г; В(Ш=1 -г)гс!г.

О а 0 а

Выражения (7) и (8) также принимают вид (5) в предельном случае.

Результаты экспериментальных исследований,выполненные на эталонных жидкостях, хорошо сходятся с моделями (4) и (7) до уровня [>/1=0.4. Для колебания Бою расхождение не превышает 1%;для колебания Нои - не более 3%.

На основании соотношений (4),(6),(7),и(8) получены выражения для парциальных добротностей.с помощью которых можно оценить омические потери в дисперсной системе с ФМ частицами.

Вызывает практический интерес разработка метода "эквивалентной" индуктивности Ьэ колебания Нои (из всех типов колебаний -самое высокодобротное) с целью получения адекватной модели резонансной частоты ОР,содержащего объем магнитной жидкости.Данная модель получается из следующего представления Ьэ: каждая составляющая магнитного поля - радиальная Нг и аксиальная Н2 образуют свою индуктивность Ьг и Ь2 соответственно,а Ьэ есть результат их параллельного соединения (наблюдается пространственное разделение интегральных токов боковой 1б и торцевых стенок 1т,образующих Ьг и Ь2), при этом индуктивность Ьг образована двумя токами верхней и низшей торцевой стенок 1Вт и 1Нт. которые замкнуты и вращаются в фиксированный момент времени в разных направлениях,то есть наблюдается аналогия с параллельным соединением индуктивно связанных катушек (встречно включенных).В диапазоне длин волн А<20см: к-Ьг « .где к - коэффициент включения индуктивностей .образованных токами 1Вт и 1НТ-

В соответствии с данным представлением Ьэ: ивЛ>п = /йп/Еэв * И-гп/Ьгв. тогда относительная частота резонатора с аксиальным объемом феррита в постоянном поле подмагничива-ния по оси 2

Ыв 01 -(ио/|1э - 1) + в В

— = - • /--(9)

«п вг / 0-(ио/Дэ - 1) + в

а 3.832 Ь 3.832 -г-

где В1= ХЛ1 (-г)гс!г; УЛа С-г)гйг; дэ = Км? - к2 ;

О а 0 а

>1 и к - компоненты тензора магнитной проницаемости феррита.

Соотношение (9) учитывает не только приращение энергии магнитного поля.как в методе "малых возмущений", но и внутренний ток полости с поправкой на граничные условия составляющих ЭМ поля колебания Нои .В предельном случае .когда Ь>а,отношение «вА>п -/мо/р-э .то есть не зависит от геометрических размеров ОР.

Третья глава посвящена разработке СВЧ-резонаторных способов и устройств определения концентрации и электрофизических параметров жидких сред с ФМ частицами,выбору оптимальных конструктивных па-

раметров измерительной ячейки и метрологическому анализу.

На основе моделей (8) и (9) получено выражение резонансной частоты колебания Нои со столбом магнитной жидкости в постоянном поле подмагничивания.направленном по оси ОР,

£в = Аэп-Сэп = Fliexie4tci-Fzllb.C.rK(ä» = F , (10)' f П У Ьдв ' СэВ

fK(d) - полученная из физических соображений корректирующая функция на ток торцевой стенки .учитывающая усечение трубопровода по координатам 2=h, z=l-h;£4 - относительная диэлектрическая проницаемость 4M частиц;С - объемная концентрация феррочастиц в %.

Осуществлена оптимизация конструктивных параметров измерительной ячейки по критерию максимума чувствительности.Показано, что максимум чувствительности (рис.2) наблюдается при Ь=а (горизонтальное расположение исследуемой жидкости).Пик чувствительности достигается при d0pt . которое не зависит от Ь/а , а определяется величинами sx . еч и их отношением. Изменение концентрации С пробы в пределах ±15% вблизи заданного значения вызывает 5-6% изменение частоты (10) .что обусловливает возможность линеаризации характеристики (10).Получены статические характеристики (СХ) зависимости напряженности постоянного магнитного поля от объемной концентрации при симметричном и асимметричном расположения измерительного объема и показано,что СХ имеют практически постоянный наклон, но второй вариант предпочтительней из-за большей добротности колебательной системы и удобства ввода материальных потоков.

Предложенный способ определения концентрации ЗМ частиц заключается в следующем. В цилиндрический ОР помещается магнитная сус-

пензия оптимального уровня .соленоидом создается постоянное магнитное поле Но, направленное по оси резонатора, возбуждается колебание типа Нои , изменение концентрации феррочастиц и вызванная этим расстройка ОР компенсируется изменением величины эффективной магнитной проницаемости цэ <Ш частиц за счет поля подмаг-ничивания: ток соленоида является мерой концентрации.Таким образом, реализуется принцип полевой компенсации частоты самим измерительным объемом - объем <ШЖ выступают в роли компенсационного объема.

Экспериментальная проверка способа на модельной жидкости (эпоксидная смола ЭДб с частицами СВЧ-феррита 40СЧ) выявила методическую погрешность .выраженную в увеличении тока соленоида по сравнению с теоретической СХ (рис.3).Это объясняется размагничивающим фактором (уменьшение поля подмагничивания) в объеме феррочастиц из-за граничных условий Но на их поверхности.Полученные теоретическая и экспериментальная СХ имеют вид

Нт=(-2.20-С + 0.973)-104 [A/M] ; Нэ=(-2.31-С + 1.284)-104 СА/Ш.

Выявлены источники погрешности определения С,основным из которых являются дефекты кристаллической решетки,вследствие зависимости размагничивающего фактора от формы феррочастиц. Относительная погрешность от данного источника в диапазоне 0=40-60% ФМНС не превышает 1.5-2.5%.

К достоинствам предложенного способа относятся отсутствие погрешности из-за несогласованного режима в устройствах бегущей волны, реализация компенсационного способа измерений и высокая добротность колебательной системы,устраняющая погрешность ФАГО.Недостатки - сложность реализации проточной схемы и градуировки; рост погрешности при случайном варьировании диэлектрической проницаемости пробы.

Предложен способ определения концентрации феррочастиц с использованием расщепления собственной резонансной частоты колебания Нш в ОР, обеспечивающий проточную схему измерений и независимость показаний от изменения диэлектрической проницаемости пробы. Если в незаполненном ОР возбудить колебание Нш линейной поляризации, а затем ввести аксиально в него ФМЖ,намагниченную вдоль постоянным магнитным полем.то произойдет расщепление собственной частоты резонатора на две частоты .разность которых равна

ДМЧ- Г- = -2.1-

го

М-+(Но)+ЦО Д-(Но)+МЮ

МНоЬИО м-(Но)-МО

где Ло - длина волны возбуждающего источника; Го - резонансная частота колебания Нщ в пустом цилиндрическом объеме; *1+(Но) и д-(Но) - эффективные магнитные проницаемости для право и левопо-ляризованных волн.

Как видно, параметр М не зависит от £ , к другим достоинствам способа относятся простота градуировки.легкость селекции резонанса колебания Нщ.так как его резонансная частота самая низкая из всех типов колебаний в цилиндрическом ОР, и меньший по сравнению с предшествующим способом,ток соленоида .Недостаток способа - использование метода прямых измерений .

Выявлен и оцен«н порог чувствительности - такое изменение концентрации ,при котором разность |Г+- 1"-! изменяется на две полосы пропускания нагруженного ОР,образуя погрешность ФАПЧ как один из основных источников погрешности,другим же источником являются дефекты кристаллической решетки феррочастиц.Относительная погрешность от этих источников в диапазоне 40-60% ФМЖ не превышает 4.7Исследование чувствительности способов с колебаниями Нои и Нщ показало,что диапазон применения этих способов лежит в интервале 0.2<СМ.

Для реализации данных способов предложены устройства, которые включают в себя стандартные СВЧ блоки. Существует возможность адаптации разработанных устройств к стандартной СВЧ контрольно-измерительной аппаратуре .

Как было показано выше, в концентратомере с использованием колебания Нои нашел применение принцип полевой компенсации частоты: роль компенсационного объема выполнял переменный объем феррочастиц, магнитная проницаемость которых изменялась в зависимости от изменения частоты настройки ОР посредством поля подмагничива-ния.Другой вариант полевой компенсации основан на применении постоянного компенсационного объема для подстройки ОР в резонанс на частоте нужного колебания.На этой основе разработано устройство для определения -диэлектрической проницаемости и электропроводности жидкости,сочетающее в себе высокую точность и оперативность

измерений за счет постоянства частоты генератора и настройки в резонанс без изменения геометрических размеров резонатора.

Обобщенная структурная схема измерительной ячейки показана на рис.4. Исследуемую жидкость можно помещать аксиально в трубопроводе или горизонтально посредством дозирования,вплотную к боковой стенке находится объем СВЧ-феррита в виде кольца,постоянное магнитное поле медлен: " " :аправлено по оси ОР.

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.

Величина расстройки ОР колебания Еою. вызванная изменением магнитных свойств феррита , ' через эквивалентные индуктивности путого Ьэп и возмущенного Ьэв равна

здесь - запасенная энергия магнитного поля пустого и возму-

щенного ОР. В конечном виде отношение возмущенных частот определяется выражением

- к'ьэп/Ьэв

'в

где д(Но)- диагональный компонент тензора магнитной проницаемости СВЧ-феррита; ¡ю - магнитная проницаемость вакуума.

Алгоритм работы предлагаемого измерителя е предусматривает постоянство частоты ОР.при этом расстройка резонатора .вызванная изменением диэлектрической проницаемости жидкости .компенсируется варьированием величины диагонального компонента тензора магнитной проницаемости феррита током подмагничивания,т.е.уравнение полевой компенсации частоты имеет вид

Мп = и/и . (13)

где Гв/Тп определяются выражениями (4) или (6).Из (13) следует , что в диапазоне изменения дШо) (0.2-0.7] .где ц(Но) практически линейно зависит от Но.а следовательно,от тока соленоида,увеличение относительного уровня х= Ь/1 сужает диапазон определения е' в зависимости от м-(Но); такое же изменение вызывает и уменьшение исходного значения е.Качественный ход кривых после подстановки в fв/fп (6) (аксиальное расположение) остается прежним .Варьирование нормированного радиуса трубопровода х'=Ь/а в сопоставлении с х=Ь/1 приводит к уменьшению наклона кривых е от ц(Но). Выбор положения жидкости зависит от конкретного технологического процесса и вида измерений.

Нагруженная добротность ОР является мерой концентрации феррочас-тиц, обладающих высоким тангенсом диэлектрических потерь (ЪйЗЯО-2) . В работе получена модель парциальной добротности ОР в предположении, что Е2 не только деформируется на границе раздела (2=й):Е2-"Е20• (ео/£ж): но и спадает по закону ехрС-ос-г-С) до нижней торцевой стенки (рис.16),где а - коэффициент поглощения в объеме феррочастиц.В этом случае парциальная добротность равна

цп(Тч) . "-(ео/^-а-Ео, {2Ь2Ь+ ео/(й.с.£ж)} . (14)

Тч•{1- е }

где Гц - удельная электропроводность <1М частиц.

Экспериментальная проверка (14) проводилась на модельной жидкости с использованием машинного масла и магнетита (РеО+РегОз). Относительная погрешность модели (14) растет с увеличением С и 11/1 исследуемой смеси и в диапазоне объемной концентрации С=0.5-2% не превышает для й/1=0.1 и <122 для 11/1=0.2.Подстрой-

ка на постоянную частоту током подмагничивания не влияет на общие потери феррочастиц,т.к. работа ведется в дорезонансной области Н=<1>/го поглощения ФМ частиц .здесь го=2.21-105 [А-с/м] - гиромагнит ное отношение.

В четвертой главе рассматривается комплексный изиеритель параме1 ров ФМЖ с вариацией структур полей ОР .Приведено описание эксперт ментальных установок для определению процентного содержания влаги авиационных ГСМ и феррочастиц в жидкой среде .

Принцип работы комплексного измерителя заключается в следующее В ОР возбуждается колебание Нои на частоте ^. Взаимодействие с волны с ФМ частицами происходит в присутствии постоянного магнитног поля,создаваемого током соленоида.Изменение концентрации приводит изменению тока соленоида,а с ним напряженности постоянного магнитнс го поля и,следовательно,изменение "эффективной" магнитной прони цаемости феррочастиц.Таким образом,ток соленоида является мерой кон центрации.СВЧ-феррит, расположенный у стенок ОР, не влияет на частот колебания Нои,так как у стенок магнитные и электрические поля прак тически отсутствуют.При возбуждении колебания Еою на частоте Гг^ расстройка ОР,вызванная изменением е гетерогенной системы,компенсир ется изменением диагонального компонента тензора магнитной проницае мости феррита.Ток соленоида в этом случае есть мера е,а нагруженнг добротность ОР - электропроводности.На вариацию е введены соответс твующие поправочные коэффициенты в статической характеристике.Разрг ботана методика градуировки и структурная схема измерителя. Метролс гический анализ показывает,что при случайном изменении е в предела ±12% относительная погрешность С не превышает 3.7% в диапазоне 40-6 ФМЖ.В режиме измерения нагруженной добротности показана возможность экспресс-контроля влажности ГСМ, что подтверждено экспериментально

Экспериментальная установка влажности ГСМ состоит из цилиндричес кого ОР.в котором вертикальным штырем на верхней торцевой стенн возбуждается колебание Еою. перестраиваемого генератора СВЧ , де текторной секции и индикаторной головки.Размеры ОР выбраны ' . • — -

фиксированными"а=0.0335м, 1=0.1м, верхняя торцевая стенка выпол нена съемной с помощью резьбового соединения,фторопластовая вставк отделяет медную поверхность резонатора от объема исследуемой жидкое ти,приемная петля энергии расположена посередине длины ОР перпенди кулярно плоскости боковой стенки. Добротность ОР уменьшалась от 185 до 100 при изменении концентрации воды в пределах 0.5-10% для авиа

ционного керосина марок РТ и ТС1.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методы расчета возмущенных параметров( резонансной частоты,добротности,входного сопротивления) колебаний Еою и Ноц цилиндрического объемного резонатора как ПИП резонаторного типа с диэлектрическим и магнитным объемами.

2. Разработаны способы и устройства определения концентрации феррочастиц, использующие расщепление .собственной резонансной частоты колебания Нш цилиндрического резонатора и компенсационный способ автоподстройки частоты ОР с высокодобротным колебанием Ноц. Выявлены их метрологические характеристики и проведено оптимальное проектирование конструктивных параметров измерительной ячейки.

3. Предложен измеритель диэлектрической проницаемости и электропроводности магнитной гетерогенной системы с полевой компенсацией частоты настройки ОР посредством изменения магнитных свойств постоянного гиромагнитного объема. Показана возможность применения его к определению концентрации Ш частиц с высоким тангенсом угла диэлектрических потерь.

4. Разработан комплексный измеритель параметров ФМЖ с вариацией структур полей ОР, устраняющий влияние диэлектрической проницаемости дисперсной системы,по заданию НТК ВВС РФ.

5. Изготовлена и прошла испытания экспериментальная СВЧ установка на цилиндрическом объемном резонаторе для определения концентрации и электрофизических параметров жидких сред с ферромагнитными частицами.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:•

1. СВЧ объемные резонаторы в качестве измерительных преобразователей состава и свойств специальных жидких сред / д.А.Дмитриев, И.В.Кораблев.М.А.Суслин/ Заводская лаборатория.-1996.- N2.0.14-16.

2. СВЧ-методы и устройства измерения состава и свойств ферромагнитных жидкостей / Д.А.Дмитриев , М.А.Суслин , И.В.Кораблев, Б.И.Герасимов/ Заводская лаборатория.-1996,- N3.0.1-5.

3. Методы и устройства СВЧ-кондуктометрии / Д.А.Дмитриев, М.А.Суслин, В.И.Герасимов, П.А.Федюнин / Заводская лаборатория.

-1996.- N7.0.9-12.

4. СВЧ устройства пробоотбора в технике аналитического контроля/ Д.А.Дмитриев.М.А.Суслин/ Заводская лаборатория.-1995.-N12. С. 13-17.

5. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц: Полож.решение на выдачу патента по заявке N94010915 от

29.09.1996 /Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин.

6. Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц: Полож.решение на выдачу патента по заявке N94007037 от 7.07.96

/Д.А.Дмитриев, М. А.Суслин,П.А.Федюнин.

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

8. Способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости: Полож.решение на выдачу патента по заявке N95100496 от 5.04.96 / Д.А.Дмитриев.М.А.Суслин,И.В.Кораблев,Б.И.Герасимов.

9. Устройство для дозирования жидких сред:Полож.решение на выдачу патента по .заявке N942014932 от 29.05.96 / Д.А.Дмитриев,

М.А.Суслин.

10. Многофункциональное устройство на объемном резонаторе / Д.А.Дмитриев.М.А.Суслин и др./Всероссийская НТК: Тез.докл. -Тамбов ,1993.- С.219-220 .

11. СВЧ-измерители состава и свойств жидкости с ферромагнитными частицами/Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин и др./НТК :Тез.докл.-

МГТУ им.Баумана.-М.:1994.- С.59.

12. Резонансные устройства СВЧ в контроле состава и свойств жидких сред/Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин,Б.И.Герасимов/ НТК:Тез.докл. -МГТУ им.Баумана.-Москва,1994.- С.60-61.

13. СВЧ-измеритель комплекса параметров феррожидкостей / Д.А.Дмитриев.М.А.Суслин,Б.И.Герасимов /Тез.докл.Российской электрохимической школы:-Тамбов.1995.-С.46-47.

14. Расчет частоты колебания Нои цилиндрического ОР методом "эквивалентной емкости"/Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин/ Всероссийская НТК : Тез. докл.- Тамбов,1995.-С.373-374 .

15. СВЧ-способ и устройство измерения диэлектрической проницаемости жидкости/Д.А.Дмитриев,М.А.Суслин,П.А.Федюнин/ Всероссийская НТК -.Тез.докл. - Тамбов, 1995. -С.375-376 .