СВЧ-метод и устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ферромагнитных жидкостей

Актуальность работы. Ферромагнитные жидкости (ФМЖ) представляют собой коллоидные растворы, состоящие из ферромагнитных частиц (ФМЧ) нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости (носителе), в качестве которой обычно выступает органический растворитель. Благодаря особым магнитным свойствам ФМЖ находят широкое применение при производстве радиопоглощающих покрытий, специальных композиционных материалов, смазочных материалов, различных оптических приборов и др.

В процессе производства и эксплуатации ФМЖ возникает необходимость контроля их электрофизических параметров, важнейшими из которых являются диэлектрическая и магнитная проницаемости, а также концентрация ФМЧ. В свою очередь, эти параметры связаны с различными физико-химическими и механическими параметрами, определяющими состав, свойства и качество специальных жидких сред.

Среди различных методов контроля параметров ФМЖ особое место занимают методы, основанные на взаимодействии ФМЖ с электромагнитной волной СВЧ-диапазона. Применение микроволновых методов контроля параметров ФМЖ обусловлено следующими их особенностями:

— наличие множества эффектов взаимодействия электромагнитных волн СВЧ-диапазона с ФМЖ, находящимися в постоянном магнитном поле и при его отсутствии, позволяет измерить ряд важных параметров ФМЖ, определяющих их качество, включая диэлектрическую и магнитную проницаемости, концентрацию ФМЧ;

— применение микроволновых методов на базе металлических волноводов позволяет практически полностью устранить паразитное излучение и влияние на результаты измерений внешних электромагнитных полей за счёт полного их экранирования;

— волноводные методы в присутствии внешнего постоянного магнитного поля подмагничивания при измерении параметров ФМЖ инвариантны к вариации удельной проводимости ФМЖ.

Очевидно, для контроля комплекса параметров ФМЖ необходимо совместное использование нескольких физических эффектов в рамках одного метода, что позволит осуществить контроль необходимого комплекса параметров ФМЖ с помощью одного устройства.

Создание такого метода является одной из актуальных задач контроля качества ФМЖ как в процессе производства, так и эксплуатации, поэтому исследования в этой области является актуальными.

Цель работы. Разработать новый микроволновый метод контроля комплекса электрофизических параметров ФМЖ и реализующее его устройство, отличающиеся от известных высокой точностью, оперативностью и возможностью проведения экспресс-контроля малых проб ФМЖ, в том числе в полевых условиях.

Для решения поставленной задачи необходимо:

— провести анализ существующих СВЧ-методов контроля параметров ФМЖ с целью выявления недостатков и путей их устранения;

— теоретически и экспериментально исследовать эффекты взаимодействия электромагнитного поля бегущих волн в волноводах с ферромагнитными жидкостями, находящимися в постоянном магнитном поле и в его отсутствии;

— разработать волноводный СВЧ-метод контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЧ в жидкости, отличающийся от известных высокой точностью, оперативностью и возможностью проведения экспрессконтроля малых проб ФМЖ;

— разработать волноводное СВЧ-устройство контроля электрофизических параметров ФМЖ, реализующее предложенный метод, отличающееся от известных оперативностью, расширением функциональных возможностей, высокой безопасностью измерений и малыми размерами;

— решить конструкционно-оптимизационные задачи выбора измерительной ячейки, волноводной линии передачи и режима её работы;

— разработать методику расчёта геометрических параметров элементов волноводного тракта разработанного измерительного устройства, позволяющую улучшить метрологические характеристики (уменьшить погрешности и расширить диапазон измерений) разработанного метода и реализующего его устройства;

— разработать методику измерений электрофизических параметров ФМЖ и провести метрологический анализ разработанного устройства.

Методы исследования основаны на применении теории макроскопической электродинамики, математического и машинного моделирования, теории антенно-фидерных устройств, измерении и метрологии.

Научная новизна. На основе теоретических и экспериментальных исследований эффектов взаимодействия электромагнитного поля бегущих волн СВЧ-диапазона в волноводных линиях передачи с ФМЖ получены следующие результаты:

— на основе метода эквивалентных параметров и теории «предельного» волновода получена математическая зависимость действительной части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой ФМЖ, находящейся в диэлектрическом сосуде внутри круглого волновода, от критической длины волны этого волновода с учётом влияния материала и геометрических параметров диэлектрического сосуда;

— на основании полученной математической зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от критической длины волны основного типа для круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ и выбранного сочетания физических эффектов при взаимодействии бегущей электромагнитной волны с ФМЖ при наличии и отсутствии внешнего продольного подмагничивания данной физической системы разработан волноводный СВЧ-метод контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающийся от известных более высокой точностью за счёт устранения потерь в поверхностном слое металлического волновода, коррекции на влияние магнитной восприимчивости ФМЧ и учёта влияния диэлектрического сосуда на результат измерений. Применение в разработанном методе сантиметрового СВЧ-диапазона и одномодового режима работы волноводов позволило уменьшить необходимый для контроля объём пробы ФМЖ, а также снизить размеры и стоимость реализующего метод устройства;

— на основе разработанного метода создано микропроцессорное измерительное устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающееся от существующих измерительных устройств высокой оперативностью за счёт автоматизации процесса измерений и более высокой точностью за счёт автоматического введения поправок и коррекции результатов измерения на влияние диэлектрического сосуда и магнитной восприимчивости ФМЧ;

— предложена методика расчёта оптимальных размеров элементов волно-водного тракта в разработанном микропроцессорном устройстве контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, позволяющая в зависимости от целей проектирования найти компромисс между диапазоном измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ и погрешностью её измерений.

Практическая ценность. На основании предложенного метода разработано измерительное устройство с математическим, программно-алгоритмическим и метрологическим обеспечением для контроля комплекса параметров ФМЖ, включающего комплексную диэлектрическую проницаемость ФМЖ, магнитную восприимчивость и концентрацию ФМЧ. Результаты диссертационной работы приняты к использованию в ОАО «Завод подшипников скольжения» (г. Тамбов).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 9-й Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы разработки и внедрения информационных технологий двойного применения» (г. Ярославль, 2008) — 3-й Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского» (г. Тамбов, 2008);

9-й Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (г. Тамбов, 2009) — Седьмой Международной теплофизической школе «Теплофи-зические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг» (г. Тамбов, 2010). Образец измерительного устройства демонстрировался на 11-й юбилейной специализированной выставке «Изделия и технологии двойного назначения. Диверсификация ОПК» (г. Москва, 2011), где был отмечен почётной грамотой, и на выставке XIV Московского Международного Салона изобретений и инновационных технологий «Архимед-2011» (г. Москва, 2011), где был отмечен серебряной медалью.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 — в изданиях, рекомендованных ВАК, и положительное решение на выдачу патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников и приложений. Работа изложена на 118 страницах, содержит 30 рисунков и 42 наименования библиографического указателя.

5.5 Выводы.

1. В результате анализа исходных данных и прямого расчёта с использованием математического описания разработанного метода получена информация о доминирующих компонентах и величине их вклада в полную погрешность измерений.

2. Из полученной информации о доминирующих компонентах и величине их вклада в полную погрешность измерений следует, что:

— основными источниками погрешности измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ являются отклонения размеров элементов измерительной ячейки и диэлектрической проницаемости материала стенок диэлектрического сосуда;

— основными источниками погрешности измерений мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ является погрешность измерения амплитуды напряжённости поля до и после диэлектрического сосуда с ФМЖ.

3. Проведена экспериментальная оценка погрешности измерений параметров ФМЖ. В результате относительная погрешность измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ составила менее 10%- мнимой части комплексной диэлектрической ФМЖ — менее 11%- концентрации ФМЧ — менее 9%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Проведён анализ существующих СВЧ-методов контроля электрофизических параметров ФМЖ, который выявил их основные недостатки и пути их устранения.

2. С использованием метода эквивалентных емкостей и условий распространения электромагнитной волны внутри круглого волновода с находящимся внутри него диэлектрическим сосудом с ФМЖ получена математическая зависимость для вычисления действительной части комплексной диэлектрической проницаемости исследуемой ФМЖ по критической длине волны основного типа с учётом влияния материала и геометрических размеров диэлектрического сосуда.

3. На основании полученной математической зависимости действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ от критической длины волны основного типа для круглого волновода с находящимся внутри диэлектрическим сосудом с ФМЖ и выбранной совокупности физических эффектов взаимодействия бегущей волны с ФМЖ (эффект затухания электромагнитной волны, эффекты Фарадея и «вытеснения» поля) при наличии и отсутствии внешнего продольного подмагничивания разработан новый метод контроля комплексной диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающийся более высокой точностью по сравнению с существующими методами за счёт устранения потерь в поверхностном слое металлического волновода, коррекции на влияние магнитной восприимчивости ФМЧ и учёта влияния диэлектрического сосуда на результат измерений. Применение в разработанном методе сантиметрового СВЧ-диапазона и одномодового режима работы волноводов позволило уменьшить необходимый для контроля объём пробы ФМЖ в 3−5 раз, а также снизить размеры и стоимость реализующего метод устройства.

4. На основе разработанного метода создано микропроцессорное измерительное устройство контроля диэлектрической проницаемости и концентрации ФМЖ, отличающееся от существующих измерительных устройств высокой оперативностью за счёт автоматизации процесса измерений и более высокой точностью за счёт автоматического введения поправок и коррекции результатов измерения на влияние диэлектрического сосуда и магнитной восприимчивости ФМЧ, а также малым объёмом необходимой для контроля ФМЖ пробы, не превышающей 50 мл.

5. Предложена методика расчёта оптимальных размеров элементов вол-новодного тракта в разработанном микропроцессорном устройстве контроля электрофизических параметров ФМЖ, позволяющая найти максимальный динамический диапазон измерений диэлектрической проницаемости действительной части диэлектрической проницаемости ФМЖ при заданной погрешности измерений или минимально возможную погрешность измерений действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ при уменьшении диапазона измерений.

6. Проведён метрологический анализ разработанного метода и реализующего его микропроцессорного устройства контроля электрофизических параметров ФМЖ с использованием доминирующих компонентов общей погрешности измерений, что позволило выявить основные источники погрешности, информация о которых даёт предпосылки для целенаправленного воздействия на источники погрешности, а также коррекции результатов измерений.

7. Экспериментально установлено, что погрешность измерения действительной части комплексной диэлектрической проницаемости ФМЖ составила менее 10%- мнимой части комплексной диэлектрической ФМЖ — менее 11%- концентрации ФМЧ — менее 9%, что позволяет использовать разработанное средство измерения в практике синтеза и исследования получаемых ФМЖ.