СВЧ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И КОНЦЕНТРАЦИИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ
MICROWAVE DEVICE TO DETERMINE ELECTROPHYSICAL PARAMETERS AND CONCENTRATION OF FERROMAGNETIC LIQUIDS

Изобретение относится к способам и устройствам измерения концентрации и электрофизических параметров жидких дисперсионных сред и может быть использовано для контроля и регулирования электрофизических параметров и концентрации ферромагнитных частиц (ФМЧ) в жидкости в процессе производства изделий из ферромагнитных материалов в химической и других областях промышленности.
Известно устройство для определения электрофизических свойств различных материалов [Патент РФ №2115110 C1, кл. G01N 22/00, опубл. 10.07.98], в частности жидких и твердых углеводородов, которое содержит генератор СВЧ с управляемой частотой колебаний, измерительную камеру, детектор, соединенный с выходом камеры, процессор для анализа АЧХ камеры. Измерительная камера выполнена в виде отрезка прямоугольного волновода, в которой непосредственно помещен исследуемый материал.
Такое устройство позволяет определить электрофизические свойства различных материалов по анализу частотной характеристики электромагнитной волны в волноводной линии передачи в момент «отсечки», при ее взаимодействии с материалом, находящимся в измерительной ячейке.
К недостаткам данного устройства следует отнести низкую точность измерений, из-за наличия больших потерь электромагнитной энергии в поверхностном слое металлических стенок измерительной камеры из-за наличия гальванического контакта с исследуемым материалом; невозможность измерения малых объемов жидких и твердых сред; невозможность учета частотной дисперсии диэлектрической проницаемости материалов; громоздкость, сложность конструкции и высокая стоимость реализующего устройства.
6
Известен волноводный СВЧ способ измерения диэлектрической проницаемости жидких сред по критической длине волны [Патент РФ №2331872, МКл G01N 22/04, G01R 27/26, опубл. 20.08.08, бюл №23], заключающийся в помещении исследуемого материала в диэлектрический сосуд, находящийся в высокочастотном электромагнитном поле в круглом волноводе различного диаметра, анализе частотной характеристики электромагнитной волны в момент «отсечки» и расчете по известным формулам действительной части диэлектрической проницаемости.
Недостатками данного способа и устройства, его реализующего, являются: низкая точность определения диэлектрической проницаемости, так как не учитывается мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости, невозможность определения концентрации ФМЧ.
6
11
Ближайшим по своим конструктивным признакам к предлагаемому устройству является устройство, принятое за прототип [Патент РФ №2090860, МКИ G01N 15/06, опубл. 20.09.97, бюл. №26], содержащее отрезок круглого волновода с размещенной в нем диэлектрической камерой для исследуемой среды, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода и подключенный к источнику тока, не перестраиваемый генератор СВЧ, устройство возбуждения электромагнитной волны H, два амплитудных детектора, входы которых подключены к приемникам электромагнитной волны, выполненным в виде взаимно ортогональных приемных вибраторов, расположенных после диэлектрической камеры в плоскости поперечного сечения волновода, а выходы - к блоку сравнения, подключенному к усилителю постоянного тока, к выходу которого подключен управляемый источник тока.
Данное устройство позволяет определить концентрацию ФМЧ по углу поворота плоскости поляризации, оптимальная величина которого стабилизируется изменением величины постоянного магнитного поля или тока подмагничивания, служащей мерой концентрации ФМЧ.
К недостаткам данного устройства следует отнести малую точность и технологические трудности измерения угла поворота плоскости поляризации в функции измеряемой объемной концентрации, погрешность измерений, связанную с изменением величины магнитной восприимчивости, характеризующей химический состав ФМЧ, а также зависимость угла поворота плоскости поляризации от вариации диэлектрической проницаемости ферромагнитной жидкости (ФМЖ).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения диэлектрической проницаемости ФМЖ и концентрации ФМЧ, а также расширение функциональных возможностей устройства.
11
Сущность изобретения заключается в том, что СВЧ устройство для определения электрофизических параметров и концентрации ФМЖ, содержащее СВЧ генератор, отрезок круглого волновода, с размещенным в нем диэлектрическим сосудом для исследуемой жидкости, имеющим конусообразные торцевые поверхности, соленоид, расположенный на отрезке круглого волновода, и подключенный к управляемому источнику тока, устройство возбуждения электромагнитной волны Н и два приемных взаимно ортогональных вибратора, расположенных после диэлектрического сосуда в плоскости поперечного сечения волновода, каждый из которых подключен к амплитудному детектору, согласующую нагрузку в виде поглощающего конуса, дополнительно содержит два отрезка круглого металлического волновода большего диаметра, соединенных с помощью плавных переходов с отрезком круглого волновода, внутри которого размещен диэлектрический сосуд с исследуемой жидкостью, отрезок прямоугольного волновода, на торцевой поверхности которого установлена согласующая нагрузка, соединенный с отрезком волновода большего диаметра с помощью плавного перехода, два приемных вибратора, один из которых расположен перед диэлектрическим сосудом в отрезке круглого волновода большего диаметра на одной линии с одним из взаимно ортогональных приемных вибраторов, а второй - за ортогональными вибраторами в отрезке прямоугольного волновода, два амплитудных детектора, мультиплексор, микропроцессорное устройство и устройство вывода информации, причем дополнительные вибраторы подключены к соответствующим амплитудным детекторам, выходы всех амплитудных детекторов подключены к соответствующим входам мультиплексора, посредством которого микропроцессорным устройством осуществляется их электронная коммутация, первый выход микропроцессорного устройства подключен к управляемому источнику тока, второй выход микропроцессорного устройства подключен к перестраиваемому генератору СВЧ, а третий выход - к устройству вывода информации.
1
2
11
На Фиг.1 показана схема СВЧ устройства определения электрофизических параметров и концентрации ФМЖ. Схема включает волноводную линию передачи, состоящую из 3-х отрезков круглого волновода различного диаметра 12, 15, 18 и одного отрезка прямоугольного волновода 20, соединенных между собой плавными волноводными переходами 13, 17, 19, причем секции 12 и 18 линии передачи имеют одинаковый диаметр d, а секция 15 - меньшего диаметра d; диэлектрический сосуд 16 с устройствами ввода 7 и вывода 14 ФМЖ с неизвестными электрофизическими параметрами и имеющий конусообразные торцевые поверхности; управляемый микропроцессорным устройством (МПУ) 1, перестраиваемый генератор СВЧ 11, устройство возбуждения электромагнитной волны типа Н - вибратор B1; устройство подмагничивания - соленоид 8, питаемый от управляемого МПУ источника тока (УИТ) 3, причем соленоид подмагничивания расположен на отрезке круглого волновода 15 меньшего диаметра; приемные вибраторы B2, B3, B4 и B5, подключенные к амплитудным детекторам 6, 9, 4, 10 соответственно, мультиплексор 2, посредством которого микропроцессорным устройством осуществляется электронная коммутация приемных вибраторов, и устройство вывода информации 5. На торцевой поверхности отрезка прямоугольного волновода 20 установлена согласующая нагрузка 21 в виде поглощающего конуса, обеспечивающая в волноводной линии передачи режим бегущих волн, причем отрезок прямоугольного волновода в месте расположения согласующей нагрузки имеет радиатор теплоотвода.
Работа устройства поясняется следующим образом.
11
11
г
В волноводной линии передачи с помощью устройства возбуждения электрического типа - вибратора B1 возбуждается волна магнитного типа H и устанавливается режим бегущих волн. Для обеспечения распространения волны H в направлении согласующей нагрузки 21 электрический штырь B1 расположен на расстоянии, равном λ/4 от торцевой металлической стенки отрезка круглого волновода 12 линии передачи.
11
01
Частота управляемого МПУ 1 перестраиваемого генератора СВЧ 11 выбирается из условия единственности существования основной волны H длиной λ и отсутствия ближайшей моды волны электрического типа E [Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. - М: Горячая линия. - Телеком, 2003 г., с.558]:
,
где  - радиус средней секции 15 волноводной линии передачи.
кр
Электромагнитная волна любого типа может распространяться в круглом металлическом волноводе радиусом "a" только в том случае, если ее длина волны λ не будет превышать критическую длину волны λ [Марков Г.Т. и др. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Сов. Радио, 1979]:
кр
λ<λ,
или
mn
11
01
где  и ξ - n-й корень функции Бесселя m-го порядка или ее производной соответственно, для волн электрического (E-волны) или магнитного (H-волны) типа в круглом волноводе. В круглом металлическом волноводе основной волной является волна H, для которой . Для ближайшей моды E - .
11
01
Для основной моды H выбор радиуса "а" круглого волновода для реализации одномодового режима без высших мод («ближайшей» высшей модой является мода E), например, при , возможен из условия:
;
3,41а>λ>2,61a
или в общем случае:
.
2
В средней секции волноводной линии передачи 15 диаметром d расположен диэлектрический сосуд 16 с исследуемой жидкостью с неизвестными диэлектрической  и магнитной  проницаемостями и концентрацией ФМЧ.
д
2
д
Сосуд изготавливается из радиопрозрачного материала с диэлектрической проницаемостью ε≈1. Толщина стенок Δ диэлектрического сосуда 16 значительно меньше его радиуса Δ<<а и имеет постоянные значения. В этом случае становится практически не существенной отношение величины диэлектрической проницаемости жидкости ε к диэлектрической проницаемости диэлектрического материала ε, из которого изготовлен трубопровод, поэтому влиянием материала трубопровода можно пренебречь [Федюнин П.А. Волноводные методы неразрушающего контроля параметров и свойств материалов в прикладной электродинамике: Монография / П.А.Федюнин, Д.А.Дмитриев. - Тамбов.: ТВВАИУРЭ (ВИ), 2006, с.406]. Величина диэлектрической проницаемости жидкости лежит в пределах 2…15 для разных случаев. Для обеспечения согласования с полем бегущей электромагнитной волны торцевые стенки диэлектрического сосуда имеют конусообразную форму.
Жидкость в диэлектрический сосуд 16 вводится с помощью устройства ввода жидкости 7 и выводится с помощью устройства вывода жидкости 14.
11
1
2
МПУ 1 посредством мультиплексора 2 подключает приемные вибраторы B2 и B3. На приемных вибраторах B2 и B3, расположенных в отрезках круглого металлического волновода 12 и 16 по одной линии на расстоянии ΔZ друг от друга, под действием электромагнитного поля бегущей волны H наводятся ЭДС, которые поступают на амплитудные детекторы 6 и 4. Полученные значения напряженности электрического поля перед диэлектрическим сосудом с исследуемой ФМЖ - E и после него - E с амплитудных детекторов 6 и 4 через мультиплексор 2 поступают на МПУ 1.
ом
Известно, что затухания электромагнитного поля в металлическом волноводе, вызванные потерей энергии волны в диэлектрике, заполняющем волновод, пропорциональны омическим потерям γ [Федоров Н.Н. Основы электродинамики. - М.: Высшая школа, 1980, с.399]. По величине затухания поля волны вдоль волновода можно определить мнимую часть диэлектрической проницаемости.
1
2
Z
Таким образом, по значениям напряженностей электрического поля E и E в МПУ 1 вычисляется значение коэффициента затухания поля вдоль волноводной линии передачи - α:
,
и определяется мнимая часть диэлектрической проницаемости ε" по известной формуле:
где k - коэффициент пропорциональности.
Далее МПУ 1 посредством мультиплексора 2 подключает приемные вибраторы B3, B4 и отключает вибратор B2. С помощью управляемого МПУ 1 перестраиваемого генератора СВЧ 11 изменяют частоту электромагнитной волны до момента наступления «отсечки», который определяют по отсутствию токов в вибраторах B3, B4 и определяют значение частоты «отсечки».
Условие отсутствия сквозной бегущей волны в волноводной линии следующее:
.
В МПУ 1 по значениям частоты «отсечки» рассчитываются соответствующая ей длина волны λ и действительная часть диэлектрической проницаемости ε' по формуле:
По команде с МПУ 1 перестраивается генератор СВЧ 11 и устанавливается в волноводной линии режим бегущих волн.
11
0
С помощью устройства намагничивания в виде соленоида 8, питаемого от УИТ 3, по команде с МПУ 1 создается постоянное, нормальное направлению распространения волны H и нарастающее по величине магнитное поле H.
11
0
0
+
-
6
Электромагнитная волна H, распространяясь вдоль отрезка 15 волноводной линии передачи, взаимодействует с ФМЧ в жидкости, протекающей через диэлектрическую камеру 16. Взаимодействие линейно-поляризованной ЭМВ с ФМЧ в жидкости происходит в присутствии постоянного магнитного поля, направление вектора напряженности которого совпадает с направлением распространения ЭМВ. В результате такого взаимодействия при H в зоне A (см. Фиг.2, где приведены зависимости нормированных магнитных проницаемостей левополяризованной и правополяризованной волн µ и µ от напряженности постоянного магнитного поля H), наблюдается явление поворота плоскости поляризации (эффект Фарадея) электромагнитной волны. Величина угла θ поворота плоскости поляризации зависит от концентрации ФМЧ в жидкости, длины пути излучения в жидкости, поля подмагничивания (тока подмагничивания) и магнитной восприимчивости [Патент РФ №2090860, МКИ G01N 15/06, опубл. 20.09.97, бюл. №26]:
,
где β - коэффициент распространения электромагнитной волны, зависящий от величины µ и ε;
+
µ- относительная магнитная проницаемость ФМЧ для правополяризованной волны;
ε - относительная диэлектрическая проницаемость ФМЧ;
0
H - напряженность постоянного магнитного поля;
C - относительная концентрация ферромагнитных частиц в жидкости;
l - длина пути электромагнитной волны в жидкости с ФМЧ.
При постоянных ε и l угол поворота θ зависит от измеряемой величины тока соленоида, магнитной восприимчивости и величины C:
0
θ=Ф(I,χ,C).
11
На приемных взаимно ортогональных вибраторах B3 и B4 под действием электромагнитного поля линейно-поляризованной волны H наводятся ЭДС, величины которых пропорциональны проекциям вектора электромагнитного поля волны на эти вибраторы. ЭДС, наводимые в этих вибраторах, поступают на амплитудные детекторы 4 и 9. Полученные значения напряженности электрического поля с амплитудных детекторов 4 и 9 через мультиплексор 2 поступают на МПУ 1.
0
0
По моменту равенства токов, наводимых в приемных вибраторах B3, B4 с МПУ 1 на УИТ 3 поступает команда на остановку изменения тока подмагничивания, стабилизируется поле подмагничивания H и определяется ток подмагничивания I, соответствующий повороту плоскости поляризации бегущей волны на угол θ=45°.
При стабилизации величины угла θ ток подмагничивания есть мера концентрации ферромагнитных частиц в жидкости и их магнитной восприимчивости:
0
В МПУ 1 по величине тока подмагничивания I по (3) определяется относительная концентрация ФМЧ в жидкости.
Из (3) видно, что изменение величины магнитной восприимчивости χ, характеризующей химический состав ФМЧ в жидкости, является основным источником погрешности определения относительной концентрации ФМЧ частиц в жидкости.
7
Коррекцию измерения концентрации на вариацию магнитной восприимчивости ФМЧ производят следующим образом [см. Патент №2247967, МПК G01N 15/06; заявл.07.03.07, опубл. 10.03.05, бюл. №7].
0
0г
По командам с МПУ 1 подключаются приемные вибраторы B3, B4 и B5, а также посредством УИТ 3 увеличивают ток подмагничивания, а следовательно и напряженность постоянного магнитного поля H, создаваемое соленоидом подмагничивания 8 до граничной величины H - момента изменения поляризации выходной волны от линейной к вращающейся. Для случая, когда радиусы волновода и диэлектрического трубопровода равны a=b, существует круговая вращающаяся поляризация.
0
0
0г
0г
При увеличении величины H до граничного значения H=H произойдет процесс изменения поляризации выходной волны от линейной к круговой, т.к. при H относительная магнитная проницаемость смеси ФМЧ и жидкости-носителя для правополяризованной волны  равна нулю и правополяризованная волна вытесняется из объема ФМЖ, быстро ослабляясь или поглощаясь в поверхностном слое. Через ФМЖ проходит левополяризованная волна с вращающейся поляризацией с относительной магнитной проницаемостью смеси .
Момент перехода поляризации индицируется по отсутствию сигнала с выхода амплитудного детектора 10, так как в прямоугольном волноводе электромагнитная волна с вращающейся поляризацией не распространяется и ЭДС, наводимая на вибраторе B5, равна нулю.
г
В МПУ 1 определяется величина граничного тока I, прямо пропорциональная величине χ, не зависящей от концентрации и определяемой только химическим составом (видом) ФМЧ. Рассчитывается величина χ и вносится коррекция на изменение магнитной восприимчивости в измерение концентрации ФМЧ.
Предложенное устройство позволяет повысить точность определения диэлектрической проницаемости ФМЖ и концентрации ФМЧ за счет учета в измерениях мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ, вариации магнитной восприимчивости ФМЧ, характеризующей их химический состав. Предлагаемое устройство может быть технически реализовано на базе СВЧ устройств с использованием микропроцессорной техники.