автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Волноводные методы и средства контроля электрофизических параметров жидких гиромагнетиков

Введение.

1 Состояние вопроса измерения электрофизических и концентрационных параметров гетерогенных гиромагнитных жидких сред.

1.1 Жидкие ферромагнетики и их применение в технике

1.2 Способы и устройства определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости.

1.3 СВЧ - измерители электрофизических параметров ферромагнитных жидкостей.

1.4 Тензорный характер магнитной проницаемости феррита. Гиротропия (анизотропия) ФМЖ.

1.5 Краткий обзор волноводных методов измерения электрофизических параметров гиромагнитных жидких сред (ШЕ).

1.6 Постановка задачи исследования.

Выводы по главе 1.

2 Теоретико-экспериментальное обоснование метода измерения информативных параметров намагниченных <ШЖ.

2.1 Волноводные эффекты: разработка и метрологический анализ методов и устройств измерения параметров намагниченных ШЖ.

2.1.1 Виды волноводных отрезков, способы ввода ФМЖ, связь гиромагнитных эффектов с возможностью измерения комплекса параметров ШК.

2.1.2 Исследование метрологических возможностей эффекта поворота плоскости поляризации линейно-поляризованной волны Нц (эффект Фарадея). Способы и устройства на эффекте Фарадея.

2.1.3 Эффекты продольного намагничивания ФШ в прямоугольном волноводе. Концентратомеры ФШ на основе фазовращателя Реджиа-Спенсера.

2.1.4 Концентратомеры с поперечно-намагниченной ФШ.

2.1.5 Волноводные измерители свойств ФШ на эффекте "смещения" поля.

2.1.6 Концентратомер ФШ на волноводном Y-циркуляторе

2.2 Краткий сравнительный анализ разработанных методов и устройств и обоснование метода и устройства для детального анаяиза и разработки

Выводы по главе 2.

3 Разработка информационно-измерительного обеспечения контроля параметров ферромагнитных жидкостей.

3.1 Расчет электромагнитных характеристик гиромагнитных гетерогенных смесей-ФМЖ.

3.2 Зависимость угла поворота плоскости поляризации от концентрации ОДК.

3.3 Функции взаимосвязи для устройства измерения объёмной концентрации ФШ.

3.4 Определение бж, степени дисперсности ферромагнитных частиц и их состава.

Выводы по главе 3.

4 Алгоритм функционирования и метрологическое обеспечение измерителя параметров ферромагнитных жидкостей.

4.1 Описание устройства и алгоритмы функционирования.

4.2 Метрологические характеристики устройства и результаты практического использования.

Выводы по главе 4.

В процессе разработки новых специальных композиционных материалов ,отработки технологии их производства,контроля качества готовой продукции возникает необходимость определения электрофизических параметров гетерогенных дисперсных жидких сред с потерями, важнейшим из которых является диэлектрическая еа и магнитная проницаемости и удельная проводимость т. Эти величины связаны с прочими физико-химическими и механическими параметрами, определяющими состав и свойства специальных жидких сред.

Примером таких специальных жидкостей являются гетерогенные жидкие смеси с ферромагнитными (магнитодиэлектрическими) частицами - ферромагнитные жидкости (ШК), применяемые в технологиях спецпокрытий летательных аппаратов (ЛА) и спец-изделий СВЧ техники локации и навигации, при изготовлении носителей информации и т.д. Важнейшим параметром ФМЖ является концентрация частиц твердой фазы. К примеру, оптимальная концентрация СВЧ-феррита радио-поглощающих и переотражающих покрытий обеспечивает согласование со свободным пространством и степень поглощения электромагнитной (<М) волны*, объемное процентное содержание взвешенных металлических ферровключений определяет степень износа техники; качество некоторых красителей напрямую связано с концентрацией феррочастиц Fe,Ni,Co.

Кроме того, современные технологии спецпокрытий ЛА и СВЧ-ферритовых изделий на всех этапах производства и разработки требуют контроль в диапазоне СВЧ обобщенной проводимости гетерогенной дисперсной системы с феррочастицами, характеризующую не только ее концентрацию , но и параметры технологического процесса, связанные с изменением обобщенной проводимости.

Контроль электрофизических параметров гетерогенных и гомогенных жидких сред именно в диапазоне СВЧ обусловлен:

- 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 еа и т;

- специальные гетерогеннные жидкие среды, содержащие частицы поглотителей и магнитодиэлектриков ,свойства которых и надо знать в диапазоне СВЧ, проявляют свои гиромагнитные свойства в этом диапазоне и сопутствующие им эффекты взаимодействия стоячих и бегущих волн только лишь в присутствии внешнего подмагничивания;

- при намагниченности выше насыщения, указанные жидкости обладают практически псевдокристаллической структурой ориентации твердых 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;

- характерные размеры первичных измерительных преобразователей (ПИП) СВЧ диапазона, работающих в оптимальных одномодовых режимах, порядка длины волны (единицы см).В более длинноволновом диапазоне размеры датчиков велики,а в мм-диапазоне технологически труднореализуемы. Так, например, именно в сантиметровом СВЧ-диапазоне ПИП на объемных резонаторах (ОР) и отрезках волноводов

ЕВ) как системы с распределенными параметрами обладают максимальной добротностью СКдо 50000) и минимальными неинформациоными потерями (погонными) и значительной чувствительностью своих интегральных параметров (резонансной частоты,добротности, набега фазы и т.д.) к изменению электрофизических параметров спецжидких сред;

- в диапазоне СВЧ ПИП на основе ОР и ВВ обладают простейшей и весьма технологичной конструкцией; максимальной электромагнитной экологической безопасностью и электромагнитной совместимостью - практическое отсутствие паразитных излучений и абсолютное экранирование от внешних полей и помех; полевое взаимодействие через СВЧ поля бегущих волн (БВ) и стоячих волн (СВ) с жидкой средой без гальванического контакта обеспечивает бесконтактный неразру-шающий принцип измерений параметров жидких сред в пожаро-взрывоопасных и потенциально-опасных производствах.

Практически все известные устройства являются устройствами лабораторного типа с ручной настройкой без применения микропроцессорной техники. Волноводные устройства измерения электрофизических параметров жидких сред с потерями в режиме бегущих волн мало разработаны и исследованы, а специфика и эффекты в СВЧ ВВ-методах и устройствах измерения параметров вообще не исследовались.

Резкое разграничение волноводных и резонаторных методов оказывается несущественным, так как имеется адекватная аналогия между резонансной частотой и фиксированным набегом фазы, добротностью и погонным затуханием.

Из всех известных методов измерения концентрации и электромагнитных свойств ФМЖ с большими потерями, т.е. содержащих поглотители энергии ЗЛ8, наиболее эффективными являются электромагнитные волноводные методы диапазона СВЧ. Они позволяют определять не только Cv% ФМЧ, но и другие электромагнитные параметры именно в данном диапазоне длин волн (2. .3 и отчасти 10 см.).

Объёмные резонаторы из-за больших потерь в поглотителе (графите) не применимы в виду малости величин нагруженной добротности (не селективны).

Наиболее перспективны волноводные методы бегущих волн (БВ) с учётом гиромагнитных свойств при внешнем подмагничива-нии. Методы основаны на совокупности эффектов взаимодействия БВ разных мод с продольно и поперечно намагниченной в отрезках круглых и прямоугольных стандартных ВВ.

Разработка новых неотражающих покрытий ЛА и другой техники делает актуальной задачу измерения комплекса концентрационных и электромагнитных параметров ФМЖ с поглотителями энергии ЭМВ в заданном диапазоне СВЧ длин волн и именно методами бегущих волн.

Цель работы. 1. Теоретически и экспериментально рассмотреть эффекты взаимодействия ЭМ БВ разных мод с намагниченной ЗМ с большими потерями.

2. Провести анализ этих эффектов по информативности и метрологическим свойствам.

3. Выбрать наиболее информативный по комплексу измеряемых величин (Cv%, м-, е,т и т.д.) и метрологически оптимальный метод и вид волноводного преобразователя ( на круглом ВВ, прямоугольном, тройниковый и т.д.).

4. Разработать теоретические основы оптимально выбранного метода определения комплекса параметров в том числе метод определения среднеинтегральных размеров (ШЧ.

5. Разработать волноводное устройство для измерения комплекса параметров ФМЖ с большими потерями.

6. Произвести метрологическую и эксплуатационную оценку результатов разработок.

Научная новизна. 1. Показана необходимость применения круглых и прямоугольных отрезков регулярных В8 в качестве измерительных преобразователей параметров Ш&. Для этого предлагается использовать совокупность ранее не применяемых в целях измерения параметров ЗШ эффектов взаимодействия полей БВ с намагниченной ФМЖ: а) стабилизация угла поворота плоскости поляризации; б) Реджиа - Спенсера, использующий стабилизацию набега фазы. Способы а) и б) позволяют при измерении С% отстроится от вариации s и т; в) поперечного намагничивания; г) поперечного резонанса и смещения поля в прямоугольном волноводе; д) стабилизации угла поворота дифракционной картины поля в Y-циркуляторе.

2. Выявлена зависимость диэлектрической проницаемости ЗШ, поляризованной по доменам в присутствии поля подмагничивания Но насыщ<Но<Но р©з. от относительной концентрации несферических крупных доменов. Это позволяет оценить дисперсный состав ФМЧ, их размеры или степень помола.

3. Предложен и апробирован новый итерационный метод расчёта среднеинтегральных по зоне взаимодействия электрофизических параметров ЗЖ.

4. Новый эффект изменения вида поляризации по достижении граничного поля подмагничивания позволяет реализовать вычислительно - измерительные алгоритмы определения эффективной величины магнитной проницаемости.

Практическая ценность.

Разработана совокупность новых методов и ВВ устройств определения комплекса параметров специальных ЗШ. Методы, основанные на: эффекте поворота плоскости поляризации с учетом ориентацион-ной зависимости еа от формы и размера феррочастиц; совокупность устройств на эффекте Реджиа-Спенсера со стабилизацией набега фазы; эффектах в поперечно-намагниченной М, которые позволяют, например, для круглых ВВ по изменению вида поляризации выходного сигнала индицировать изменение состава ЗШ,что невозможно при использовании 0Р. Исследована возможность применения эффекта стабилизации угла поворота дифракционной картины поля в Y-циркуляторах для содания микроминиатюрных концентратомеров ШЖ.

Разработано волноводное устройство для определения комплекса параметров ФМЖ: а) концентрация ФМЧ с коррекцией погрешности по величинам s и х; б) величины s ФМЖ и концентрации крупнодоменных (ШЧ в ней; в) величины хи |1 ЗЖ; г) величины диссипативных потерь в ЗШ.

Разработанное устройство снабжено системой автоматического согласования и термокомпенсации. Приведены циклограммы работы устройства.

Выявлены работоспособность устройства и его основные метро

11 логические характеристики по результатам производственных испытаний в частях ВВС МО РФ.

Результаты испытаний (акты внедрения и реализации, фотографии установок) даны в Приложении к работе.

Реализация результатов. Результаты теоретических и экспериментальных исследований прошш производственные испытания и внедрены в в/ч 13805,в/ч 44386 (НТК ВВС МО РФ) и реализованы при разработке и выполнении Основных направлений развития вооружения и военной техники ВВС на период до 2005 года и Плана НИОКР ВВС на период до 2000 года.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы в в/ч N44388 (Научно-технический комитет ВВС МО СССР (РФ)) в комплексе НИР, заданных Главкомом ВВС: "Резона-тор-95", "Резонатор-97м, "Замедление -99". Также результаты использованы в в/ч N13805. r> пплтпгп iT-rr? пгчттпгчл л тлп\гт?т-?т/сст т* i Jlci»c4 i. OUOiUnrUit OUliTUOrt n01VSC.rC.nyin ОЛСЛЛГиутаЛЧЕоГкИЛ У1

КОНЦЕНТРАЦИиНННЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕТЕРОГЕННЫХ ГИРОМАГНИТНЫХ ЖИДКИХ СРЕД