Волноводные методы контроля состава и свойств дисперсных жидкостей

ВОЛНОВОДНЫЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ СОСТАВА И СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

© П.А. Федюнин, И.Т. Степаненко

Вопросам анализа дисперсионного состава жидких сред уделено достаточно большое внимание. Принцип действия практически всех устройств анализа состава и свойств дисперсных сред основан на измерении их физических либо физико-химических параметров, и при выборе преобразователя руководствуются обычно степенью различия параметров жидкости - носителя и наполнителя. Однако для определения дисперсионного состава ферромагнитных жидкостей (ФМЖ) в силу зависимости их магнитных характеристик от концентрации в присутствии внешнего подмагничивания, пригодны не все методы.

Волноводные методы контроля состава и свойств дисперсных сред, использующие свойства магнито-анизотропии, позволяют анализировать параметры ФМЖ с большой величиной удельной проводимости; в присутствии поля подмагничивания данные методы инвариантны к вариации удельной проводимости и позволяют с достаточной степенью точности оценивать дисперсный состав при близости значений величин диэлектрических проницаемостей носителя и накопителя.

Именно тензорный характер зависимостей магнитных свойств ФМЖ как гиромагнетиков обусловливает наличие целого комплекса эффектов взаимодействия электромагнитных волн с намагниченной ФМЖ, применение которых в целях аналитического контроля дисперсных сред предопределяет разработку методических основ проектирования волноводных первичных измерительных преобразователей (ВВ ПИП) состава и свойств дисперсных сред.

Нами был произведен анализ волноводных методов, взаимосвязей способов намагничивания ФМЖ, вида сечения волновода с намагниченной продольно и поперечно ФМЖ, источники погрешности измерений, приоритеты по массогабаритным и стоимостным показателям, результат которого сведен в таблицу 1.

В ней видны предпочтительные информативные параметры ФМЖ. Очевидно, что они во многом определяются не только особенностью гиромагнитного эффекта, но и видом волновода, а также способами намагничивания и вводом в зону взаимодействия измеряемой среды.

Из вышеприведенного следует, что при выборе способа и вида ПИП необходимо разработать адекватную математическую модель измерительной системы, обеспечить оптимизацию размеров ПИП и магнитной системы, минимизировать неинформативные потери (потери на излучение) и потери отражения (адаптивное согласование).

Известно: А.г = Ki/Ho, что следует из гиромагнитного соотношения:

юг = Кг-Но = 2тиСА.г.

Очевидно, с увеличением длины ВОЛНЫ Хг уменьшаются малогабаритные показатели магнитной системы (/who), однако это приводит к увеличению малогабаритных показателей волновода (тль) как ПИП, поскольку /мвв« X3. В этом аспекте для решения данной проблемы необходимо оптимизировать корреляцию между массогабаритными показателями магнитной системы и волноводов, свести массо-габаритный показатель всей системы mz к минимуму. Наиболее подходящей с точки зрения широко-полосности и адаптации является электромагнитная система, поскольку если для постоянного магнита who « Но, то для who - есть функция целого ряда параметров электромагнита:

тНо * Но = Ф[/, ^провода, ^намотки ]. (О

варьируя которыми можно уменьшить названные противоречия между who и тъъ. Нами теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что минимальные массогабаритные показатели измерительной системы приходят на Х,г = 2...4 см.

Теперь обратимся к вопросу выбора типа волновода. Известно, что концентрацию ФМЧ можно измерить на отрезках прямоугольных волноводов при любой частоте (длине волны - до 10 см), но из-за дисперсионной частотной зависимости электрофизических параметров ФМЖ в этом диапазоне значительно повышается систематическая погрешность. С этой точки зрения - уменьшения погрешности измерений из-за дисперсии электрофизических параметров, а также простоты изготовления волновода и устройств ввода-вывода ФМЖ в зону взаимодействия с продольным намагничиванием и простоты реализации для основной волны Hi | эффекта поляризационной зависимости £см ФМЖ от размера ФМЧ предпочтительно работать на длине волны К = 2...4 см и применять в качестве ПИП отрезки круглых волноводов, за исключением случая измерения концентрации на Хг = 10 см и в устройстве, работающем на эффекте поворота дифракционной картины, где используются прямоугольные волноводы.

Для разработки адекватной математической модели волноводной измерительной системы используются разработанные нами метод эквивалентных параметров и, как частный случай, метод малых

Таблица 1

Эффект взаимодействия основной волны с намагниченной ФМЖ Информативная (статическая) характеристика Длина рабочей ВОЛНЫ Хг Измеряемые параметры ФМЖ Источники погрешности метода Погрешность измерений (относитель- ная) Приоритет по массогабаритному (стоимостному) показателю

Фарадея-поворот плоскости поляризации линейно-поляризованной ВОЛНЫ Нц и стабилизация угла поворота 0=Ф[Цср(Су,Но), Єср(Су,Но),1,а,Ь] — =СОПв1 310"2м Су%; ц; є; УДМІ Уш Єср>Х 5 % при измерении концентрации 2

Реджиа-Спенсера -зависимость набега фазы в отсутствии эффекта Фарадея Ф~Ф [ Цср(Су,Но), Єср(Су,Но),1,а,Ь] 0,1 м Су%; є; Ут\ У гм ЩьХ 5...7 % при измерении концентрации 3

Эффект смещения поля - отсутствие поля в объёме ФМЖ и его прохождение вне его Ног=Ф[Ц(Х)],С индикацией Ног по измен, вида поляризации 310"2м 1+Х отсутствуют 1...2 % 2

Роп>= Ф(Су%1 0,1 м Су% є™, г до 4 % 4

Поперечный резонанс - резонансное поглощение энергии ЭМВ при Но-1Л РпОГЛ= Ф[Су%] 0,1 м Малые величины Су% X 1 % 5

Поворот дифракционной картины и стабилизация угла поворота 0 = Ф[Су, Но] = к/3 310"2м Су% X 2% 1

возмущений. С их помощью легко рассчитать среднеинтегральные по зоне взаимодействия параметры измеряемых сред при разных соотношениях объемов измерительной системы и измеряемой среды.

Для большеиндексных неосесимметричных волн (волна Нм в круглом волноводе) из-за трудности расчета эффективной магнитной проницаемости, для расчета информативных параметров используется итерационный метод, сочетающий адекватность модели метода эквивалентных параметров вырожденных колебаний и простоту метода малых возмущений. Особенность проектирования волноводных методов - обеспечение одномодовости режима в волноводе, хотя названные выше методики расчета электрофизических параметров жидких сред справедливы для многомодовых перспективных режимов в круглом и прямоугольном волноводах.

Отдельно нужно сказать о диэлектрических волноводах - волноводах поверхностных волн, на базе которых были разработаны устройства измерения состава и свойств радиопоглощающих покрытий - как особого класса дисперсных сред, нанесенных на металлический экран. С точки зрения измерительных

систем, устройства измерения электрофизических параметров на базе волноводов поверхностных волн обладают полной бесконтактностью измерений, простотой изготовления приемной части и установления одномодового режима бегущих волн, измерение геометрических параметров, а также градиентов неоднородностей покрытий. Разработанный нами метод и устройства, его реализующие, позволяют работать в диапазоне 1...3 см, обеспечивают полную развязку возбудителя ЭМВ и приемника, инвариантны к вариациям зазора, позволяют реализовать много-параметные двухчастотные измерения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вольман В.И., Пименов Ю.В. Техническая электродинамика. М.: Связь, 1971.465 с.

2. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник / Под ред. В.В. Клюева. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1986. 174 с.

3. Федюнин П.А., Алёшкин С.А. и др. Волноводные методы и устройства измерения электрофизических параметров специальных ферромагнитных жидких сред. Сообщение 7: Расчет интегральных электромагнитных характеристик специальных ферромагнитных смесей. Деп в ЦСИФ МО РФ 27.07.2000, № В 4443.