Способ определения концентрации ферромагнитных частиц и продолговатых доменов в жидкости в диапазоне свч

 

Изобретение относится к способам измерения концентрации и дисперсности (концентрации крупных доменов некруглой формы) ферромагнитных частиц в жидкости и может быть использовано для контроля и регулирования состава и свойств ферромагнитных жидкостей в химической и других областях промышленности. Сущность изобретения заключается в том, что в способе измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, включающем помещение сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отключат ток подмагничивания соленоида, определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость при сдвиге фазы волны, равном π, обеспечивая сдвиг фазы подстройкой длины волны генератора, производят коррекцию значения концентрации ферромагнитных частиц на изменение средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, включают ток подмагничивания и увеличивают его до величины, соответствующей ферромагнитному резонансу, при котором наблюдается момент установки угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны равным нулю, по набегу фазы определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость, сравнивают ее величину с величиной средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, найденной при отсутствии тока подмагничивания, и определяют концентрацию крупных продолговатых доменов по изменению средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости из приведенной математической формулы. Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкостей с ферромагнитными частицами и ферромагнитных изделий за счет повышения точности измерения концентрации диэлектрической проницаемости, а также возможности определения концентрации продолговатых доменов ферромагнитных частиц в жидкости.

Изобретение относится к способам измерения концентрации и дисперсности (концентрации крупных доменов некруглой формы) ферромагнитных частиц жидкости и может быть использовано для контроля и регулирования состава и свойств ферромагнитных жидкостей в химической и других области промышленности.

Известен способ измерения концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости /см. Дмитриев Д.А., Суслин М.А., Степаненко И.Т., Федюнин П.А. “Устройство для измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости”. Патент РФ №2090860 от 20.09.98г./. Измерение концентрации ферромагнитных частиц в жидкости производится по измерению тока подмагничивания соленоида, расположенного на отрезке круглого волновода, создающего постоянное магнитное поле для стабилизации оптимальной величины угла поворота плоскости линейно-поляризованной электромагнитной волны, прошедшей через размещенную в круглом волноводе диэлектрическую камеру с исследуемой жидкостью с продольно намагниченными ферромагнитными частицами.

Недостатком способа является невозможность определения химического состава ферромагнитных частиц в жидкости и погрешность измерения концентрации из-за изменения магнитной восприимчивости, зависящей от химического состава ферромагнитных частиц.

Ближайшим к предлагаемому способу является принятый за прототип способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ /см. Суслин М.А. и др. “Способ определения концентрации ферромагнитных частиц и магнитной восприимчивости в диапазоне СВЧ". Решение о выдаче патента РФ по заявке №99106324/006585 от 29.03.2001г./. Измерение концентрации ферромагнитных частиц в жидкости производится по измерению величины тока подмагничивания соленоида, расположенного на отрезке круглого волновода, создающего постоянное магнитное поле для стабилизации оптимальной величины угла поворота плоскости линейно-поляризованной электромагнитной волны, прошедшей через размещенную в круглом волноводе диэлектрическую камеру с исследуемой жидкостью с продольно намагниченными ферромагнитными частицами. Увеличивают напряженность постоянного магнитного поля до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся, определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц, характеризующую химический состав ферромагнитных частиц, и в последующих измерениях концентрации ферромагнитных частиц вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости.

Недостатком вышеописанного способа является невозможность определения относительного количества крупных продолговатых доменов ферромагнитных частиц в жидкости и погрешность измерения концентрации из-за вариации средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости ферромагнитных частиц.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения концентрации, а также возможность определения концентрации продолговатых доменов ферромагнитных частиц в жидкости, и измерение диэлектрической проницаемости смеси в диапазоне СВЧ.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в способе измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, включающем помещение сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отключают ток подмагничивания соленоида, определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость при сдвиге фазы волны, равном π, обеспечивая сдвиг фазы подстройкой длины волны генератора, производят коррекцию значения концентрации ферромагнитных частиц на изменение средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, включают ток подмагничивания и увеличивают его до величины, соответствующей ферромагнитному резонансу, при котором наблюдается момент установки угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны равным нулю, по набегу фазы определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость, сравнивают ее величину с величиной средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, найденной при отсутствии тока подмагничивания, и определяют концентрацию крупных продолговатых доменов по изменению средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости из формулы

,

где ε_н - диэлектрическая проницаемость жидкости-носителя;

ε_ФМЧ - диэлектрическая проницаемость ферромагнитных частиц;

C_v - концентрация ферромагнитных частиц в жидкости;

N - коэффициент деполяризации, функционально связанный с концентрацией крупных доменов С_д:

Сущность предлагаемого способа определения концентрации и относительного количества продолговатых доменов ферромагнитных частиц в жидкости в диапазоне СВЧ поясняется следующим. Диэлектрический сосуд с исследуемой жидкостью радиусом, равным радиусу волновода, помещают в отрезок круглого волновода в высокочастотное электромагнитное поле и постоянное магнитное поле, создаваемое соленоидом подмагничивания, расположенным на отрезке круглого волновода, падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости, измеряют длину пути излучения в жидкости, при стабилизации оптимальной величины угла поворота плоскости поляризации при помощи постоянного магнитного поля, создаваемою соленоидом подмагничивания, по току подмагничивания определяют концентрацию ферромагнитных частиц.

С учетом известных аналитических выражений /см. Вольман B.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971, с.465/ угол поворота Θ плоскости поляризации линейно-поляризованной волны вдоль направления ее распространения есть функция целого ряда показателей, характеризующих ферромагнитную жидкость

где l - длина пути электромагнитной волны в жидкости с ферромагнитными частицами;

λ_г - длина волны генератора;

μ⁺_ср - средняя по объему взаимодействия магнитная проницаемость правополяризованной волны, зависящая от магнитной восприимчивости χ, характеризующей химический состав ферромагнитных частиц:

C_v - концентрация ФМЧ в жидкости;

I_подмаг - ток подмагничивания, протекающий в катушке соленоида подмагничивания,

μ^-_ср - средняя по объему взаимодействия магнитная проницаемость левополяризованной волны:

μ^-_ср=1;

ε_ср - средняя по объему взаимодействия диэлектрическая проницаемость смеси, зависящая от диэлектрических проницаемостей жидкости-носителя ε_н и ферромагнитных частиц ε_ФМЧ, а также коэффициента деполяризации N, характеризующего дисперсионный состав и ориентацию доменов, и определяется по формуле Лоренца – Лорентца /Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник под ред. В.В.Клюева. - 2-е издание, переработанное и дополненное. - М.: Машиностроение, 1986, с.174/

Из приведенной зависимости (1) видно, что основными источниками погрешности измерений концентрации ФМЧ в жидкости-носителе являются изменение магнитной восприимчивости χ, а также средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости смеси за счет вариации диэлектрической проницаемости ФМЧ и ориентации крупных и мелких доменных структур ФМЧ в жидкости-носителе.

Поправка на изменение магнитной восприимчивости в (1) вводится по величине Н_ог (при μ⁺_ср=0), регистрируемой по моменту изменения вида поляризации волны, а именно напряженность постоянного магнитного поля увеличивают до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся, определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц, характеризующую их химический состав, и вносят коррекцию в измерение концентрации ферромагнитных частиц на изменение магнитной восприимчивости ФМЧ.

Анализируя формулу (3) для относительно малых концентраций ФМЧ, можно установить, что средняя по объему взаимодействия диэлектрическая проницаемость ферромагнитной жидкости зависит от коэффициента деполяризации.

При отсутствии внешнего поля подмагничивания распределение ФМЧ и ориентация их доменов близки к равномерному. Соотношение относительны концентраций мелких сфероидных частиц С_ш/С и более крупных близких по форме к сплющенному цилиндру доменов С_д/С практически на величину средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости не оказывают влияния.

Расчет ε_ср, для относительно малых величин концентраций следует вести по трансформированной для данного случая формуле Лоренца-Лорентца

где N - коэффициент деполяризации, при хаосе доменов приближенно равный N=1/3.

Для больших величин относительной объемной концентрации С ≈ 0,4...0,6 расчет ε_ср осуществляется по формуле Лоренца-Лорентца (3).

В случае внешнего поля подмагничивания Н_{0насыщения} ≤ Н₀ ≤ Н_0рез все крупные домены ориентированы вдоль поля Н₀ и располагаются нормально силовым линиям электрического поля основной волны Н₁₁ в круглом волноводе, вследствие чего средняя по объему взаимодействия диэлектрическая проницаемость зависит от относительной концентрации крупных доменов. Желательно по технологии иметь как можно меньшее количество больших доменов (число которых уменьшается с увеличением времени помола). В этом случае очевидна необходимость выявления связи коэффициента деполяризации N с концентрацией крупных доменов. Нами принята следующая расчетная зависимость коэффициента деполяризации в случае подмагничивания ФМЧ в жидкости /Волноводные методы и устройства измерения электрофизических параметров специальных ферромагнитных жидких сред. Сообщение 7: Расчет интегральных электромагнитных характеристик специальных ферромагнитных смесей // Федюнин П.А., Алешкин С.А. и др.: Деп. в ЦСИФ МО РФ 27.07 2000, N В 4443/:

где а - средняя длина ФМЧ, b - средняя ширина ФМЧ.

Первоначально в способе производят отстройку от погрешности измерения концентрации ФМЧ, обусловленной вариацией средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости ε_ср.

При отсутствии тока подмагничивания I_подмаг = 0 угол поворота плоскости поляризации Θ=0°. Находят ε_ср по набегу фазы, обеспечивая сдвиг фазы ϕ=π путем по стройки длины волны генератора (1), и производят коррекцию величины С_v на изменение ε_ср путей подстройки λ_г и определяют концентрацию ФМЧ С_v с поправкой на изменение ε_ср.

После определения среднего значения концентрации С_V с учетом устранения погрешностей на вариацию χ и ε_СР начинается цикл определения среднеинтегрального размера частиц (относительного количества крупных доменов).

По установленной при устранении погрешности измерения концентрации на вариацию ε_ср длине волны λ_г определяют Н_0рез, где независимо от концентрации μ⁺_см=1 и обеспечивается Θ=0°. Находят величину I_0рез и устанавливают такой ток в обмотке соленоида подмагничивания для обеспечения Θ=0°. По набегу фазы определяют величину ε_ср и сравнивают ее с величиной ε_ср, определяемой при I_подмаг = 0. Рассчитывают концентрацию крупных продолговатых доменов С_д из формулы Лоренца-Лорентца с учетом зависимости (5) коэффициента деполяризации N от концентрации крупных доменов.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкостей с ферромагнитными частицами и ферромагнитных изделий за счет повышения точности измерения концентрации и диэлектрической проницаемости, а также возможности определения концентрации продолговатых доменов ферромагнитных частиц в жидкости.

Формула изобретения

Способ определения концентрации ферромагнитных частиц и продолговатых доменов в жидкости в диапазоне СВЧ, включающий помещение сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости, устанавливают оптимальный угол поворота плоскости поляризации при помощи постоянного магнитного поля, создаваемого соленоидом подмагничивания, по току подмагничивания определяют концентрацию ферромагнитных частиц, напряженность постоянного магнитного поля увеличивают до граничной величины Н_ог - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся, определяют магнитную восприимчивость ферромагнитных частиц и в последующих измерениях концентрации ферромагнитных частиц вносят коррекцию на изменение магнитной восприимчивости, отключают ток подмагничивания соленоида, определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость при сдвиге фазы волны, равном π, обеспечивая сдвиг фазы подстройкой длины волны генератора, производят коррекцию значения концентрации ферромагнитных частиц на изменение средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, включают ток подмагничивания и увеличивают его до величины, соответствующей ферромагнитному резонансу, при котором наблюдается момент установки угла поворота плоскости поляризации электромагнитной волны равным нулю, по набегу фазы определяют среднюю по объему взаимодействия диэлектрическую проницаемость, сравнивают ее величину с величиной средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости, найденной при отсутствии тока подмагничивания, и определяют концентрацию крупных продолговатых доменов по изменению средней по объему взаимодействия диэлектрической проницаемости из формулы

где ε_н - диэлектрическая проницаемость жидкости-носителя;

ε_фмч - диэлектрическая проницаемость ферромагнитных частиц;

С_V - концентрация ферромагнитных частиц в жидкости;

N - коэффициент деполяризации, функционально связанный с концентрацией крупных доменов С∂, равный