RU2182327C2

RU2182327C2 - Shf process determining concentration of ferromagnetic particles

Info

Publication number: RU2182327C2
Application number: RU99123478A
Authority: RU
Inventors: П.А. Федюнин; М.А. Суслин; С.А. Алешкин; Н.В. Макаров; Д.А. Дмитриев
Original assignee: Тамбовский военный авиационный инженерный институт
Priority date: 1999-11-09
Filing date: 1999-11-09
Publication date: 2002-05-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention relates to procedures measuring concentration of dispersive systems and can be employed to test and control concentration of ferromagnetic particles in liquid in process of manufacture of articles from ferromagnetic materials in chemical and other branches of industry. Wave H₁₀. is excited in one of arms of hybrid tee located in H plane with triple symmetry. Ferromagnetic liquid is let pass through dielectric vessel along center of hybrid tee normal to its plane. Magnetic field H_O, quasi-constant, normal to direction of propagation of wave and value-controlled is applied along axis of vessel. Its value is so changed that angle of turn φ_D of diffraction pattern depending on concentration of ferromagnetic particles in liquid remains constant and secures maximum of output power of one of output arms. Then direction is reversed when values of magnetization field are equal. Maximum of output power of another arm is found. Value of magnetization fields of different directions are averaged and their average value is used to evaluate concentration of ferromagnetic particles in liquid. EFFECT: raised accuracy of measurement of concentration of ferromagnetic particles in liquid. 2 dwg

Description

Изобретение относится к способам измерения концентрации дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования концентрации ферромагнитных частиц в жидкости в процессе производства изделий из ферромагнитных материалов, например ферритов и магнитодиэлектриков, в химической и других областях промышленности. The invention relates to methods for measuring the concentration of dispersed systems and can be used to control and regulate the concentration of ferromagnetic particles in a liquid during the production of products from ferromagnetic materials, such as ferrites and magnetodielectrics, in the chemical and other industries.

Известен способ определения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, принятый за прототип, включающий помещение сосуда с жидкостью в высокочастотное электромагнитное и постоянное магнитное поля и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение бегущей волны. Причем падающее высокочастотное излучение линейно поляризуют, направление вектора напряженности постоянного магнитного поля совмещают с направлением распространения излучения в жидкости, измеряют длину пути излучения в жидкости, угол поворота плоскости поляризации прошедшего излучения и по измеренным величинам судят о концентрации ферромагнитных частиц (см. Абраров А.Т., Дмитриев Д.А., Соколов Ю.Ф. Способ измерения концентрации ферромагнитных частиц. А.с. 924557, кл. G 01 N 15/00, БИ 16, 30.04.82). A known method for determining the concentration of ferromagnetic particles in a liquid, adopted as a prototype, comprising placing a vessel with a liquid in a high-frequency electromagnetic and constant magnetic field and subsequent registration of changes in parameters characterizing the high-frequency radiation of a traveling wave. Moreover, the incident high-frequency radiation is linearly polarized, the direction of the vector of constant magnetic field intensity is combined with the direction of radiation propagation in the liquid, the path length of the radiation in the liquid is measured, the angle of rotation of the plane of polarization of the transmitted radiation, and the concentration of ferromagnetic particles is judged by the measured values (see A. Abrarov, T. ., Dmitriev D.A., Sokolov Yu.F. A method for measuring the concentration of ferromagnetic particles (A.S. 924557, class G 01 N 15/00, BI 16, 04/30/08).

Недостатком известного способа является малая точность и технологические трудности измерения угла поворота плоскости поляризации в функции измеряемой объемной концентрации. The disadvantage of this method is the low accuracy and technological difficulties of measuring the angle of rotation of the plane of polarization as a function of the measured volume concentration.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения концентрации ферромагнитных частиц в жидкости. The technical result of the invention is to increase the accuracy of measuring the concentration of ferromagnetic particles in a liquid.

Сущность изобретения заключается в том, что в одном из плеч волноводного тройника (плечо 1), расположенного в Н-плоскости (см. фиг.1), с тройственной симметрией возбуждают волну Н₁₀. По центру тройника нормально его плоскости по диэлектрическому сосуду пропускают ферромагнитную жидкость, вдоль оси сосуда прикладывают квазипостоянное, нормальное к направлению распространения волны, управляемое по величине магнитное поле Н_о, величину которого изменяют так, что угол поворота дифракционной картины φ_д, зависящий от концентрации ферромагнитных частиц в жидкости, остается постоянным и обеспечивает максимум выходной мощности одного из плеч, например 2, а о концентрации судят по величине Н_о (I_о) индицируемой по максимуму выходной мощности; далее производят реверс величины Н_о путем изменения направления вектора Н_о при равенстве его величины. Изменяя величину Н_о, находят максимум выходной мощности другого плеча, например 3. Значения Н_о разных направлений усредняются и по среднему значению Н_о (I_о) определяют концентрацию ферромагнитных частиц в жидкости.The essence of the invention lies in the fact that in one of the arms of the waveguide tee (arm 1) located in the H-plane (see figure 1), with a triple symmetry excite the wave H ₁₀ . A ferromagnetic fluid is passed normally along the center of the tee along its plane along a dielectric vessel, a quasi-constant, normal to the direction of wave propagation, magnetic field H ₀ , magnitude-controlled magnitude is applied along the axis of the vessel, the magnitude of which is changed so that the angle of rotation of the diffraction pattern φ _d , depending on the concentration of ferromagnetic particles in the fluid remains constant and provides a maximum output power of one of the arms, for example 2, but the concentration is judged by the magnitude _of H (I _o) of the displayed maxim at the output; Further, the value of H _{o is} reversed by changing the direction of the vector H _o with the equality of its value. By changing the value of H _about , find the maximum output power of the other arm, for example 3. The values of H _{about in} different directions are averaged and the average value of H _about (I _about ) determines the concentration of ferromagnetic particles in the liquid.

Сущность способа измерения концентрации ферромагнитных частиц поясняется следующим. Из теории электродинамического подобия известно, что 1 < n = f₁/f₂ = λ₂/λ₁ = a₂/a₁, где а - линейный размер системы. Таким образом, уменьшение габаритов измерительных волноводов можно достичь, уменьшая величину λ_г, пропорционально величине характерного размера прямоугольного волновода или радиуса круглого. При этом практически пропорционально уменьшению а растет характерное значение поля подмагничивания, сопровождаемое соответствующим увеличением размеров магнитной системы согласно гиромагнитному соотношению ω = k_гH_o, или λ = 2π/k_гH_o. Таким образом, интегральная минимизация массогабаритных величин концентратомеров ФМЖ является непростой задачей, осложняемой необходимостью размещения в волноводе устройств ввода-вывода ферромагнитной жидкости и выбора оптимального размера зоны взаимодействия жидкости с полем бегущей волны. В любом случае желательны небольшие поля H_о, минимально возможная λ_г и соответственно сечение волновода с простейшим устройством ввода-вывода проточной ферромагнитной жидкости, предпочтительно через круглый гладкий трубопровод.The essence of the method of measuring the concentration of ferromagnetic particles is explained as follows. From the theory of electrodynamic similarity it is known that 1 <n = f ₁ / f ₂ = λ ₂ / λ ₁ = a ₂ / a ₁ , where a is the linear size of the system. Thus, a reduction in the dimensions of the measuring waveguides can be achieved by decreasing the value of λ _g in proportion to the characteristic size of the rectangular waveguide or the radius of the round. In this case, the characteristic value of the bias field increases almost proportionally to a decrease, accompanied by a corresponding increase in the size of the magnetic system according to the gyromagnetic ratio ω = k _g H _o , or λ = 2π / k _g H _o . Thus, the integral minimization of the mass and size values of FMG concentrators is a difficult task, complicated by the need to place ferromagnetic fluid input / output devices in the waveguide and select the optimal size of the fluid interaction zone with the traveling wave field. In any case, small fields H _o , the smallest possible λ _g and, accordingly, the cross section of the waveguide with the simplest input-output device for the flowing ferromagnetic fluid, preferably through a round smooth pipeline, are desirable.

Схема измерения концентрации ферромагнитнитных частиц в жидкости на волноводном Y-циркуляторе показана на фиг.1 (рабочая длина волны λ_г = 1см (а•в= 0,2 см²)) и представляет собой соединенный в Н-плоскости волноводный симметричный Y-тройник с тремя плечами 1, 2, 3 с полем подмагничивания (поперечного) H_о.The scheme for measuring the concentration of ferromagnetic particles in a liquid on a waveguide Y-circulator is shown in Fig. 1 (operating wavelength λ _g = 1 cm (a • b = 0.2 cm ² )) and is a waveguide symmetric Y-tee connected in the H-plane with three shoulders 1, 2, 3 with a bias field (transverse) H _about .

Поле создается двумя согласно подключенными обмотками соленоидов 5 через Кл. 1 и Кл.2, подключенными к управляемому источнику тока УИТ. Вдоль вертикальной оси симметрии расположен диэлектрический сосуд с ферромагнитной жидкостью (внутренний диаметр равен 0,003м). Диэлектрический сосуд также способствует расширению полосы рабочих частот - выполняет роль диэлектрического трансформатора. (Вамберский М. В. , Казанцев В.И., Шелухин С.А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Высшая школа,1984). Излучение через круглые щели ввода и вывода ферромагнитной жидкости при этом практически отсутствует. Наиболее наглядно принцип способа измерения можно объяснить явлением углового поворота картины дифракции плоской электромагнитной волны на круглом цилиндре ферромагнитной жидкости. При этом распределение электрического поля на внешней поверхности цилиндра, обусловленное суммой падающей и рассеянной волн, зависит от его геометрических размеров и электрических параметров (μ = f(H_o)) (Вамберский М.В., Казанцев В. И., Шедукин С. А. Передающие устройства СВЧ. Под ред. М.В. Вамберского. - М.: Высшая школа, 1984). При определенных значениях этих параметров в случае ненамагниченной ферромагнитной жидкости (диэлектрика) дифракционная картина поля имеет вид, показанный на фиг.2а.The field is created by two according to the connected windings of the solenoids 5 through Cl. 1 and Cl. 2, connected to a controlled current source of the UIT. A dielectric vessel with a ferromagnetic fluid is located along the vertical axis of symmetry (inner diameter is 0.003 m). The dielectric vessel also contributes to the expansion of the operating frequency band - acts as a dielectric transformer. (Vambersky M.V., Kazantsev V.I., Shelukhin S.A. Microwave Transmitting Devices. Edited by M.V. Vambersky. - M.: Higher School, 1984). Radiation through the round slots of the input and output of the ferromagnetic fluid is practically absent. The principle of the measurement method can be most clearly explained by the phenomenon of angular rotation of the diffraction pattern of a plane electromagnetic wave on a round cylinder of a ferromagnetic fluid. The distribution of the electric field on the outer surface of the cylinder, due to the sum of the incident and scattered waves, depends on its geometric dimensions and electrical parameters (μ = f (H _o )) (Vambersky M.V., Kazantsev V.I., Shedukin S. A. Microwave Transmitting Devices, Edited by M.V. Vambersky (Moscow: Higher School, 1984). At certain values of these parameters in the case of a non-magnetized ferromagnetic fluid (dielectric), the diffraction pattern of the field has the form shown in Fig. 2a.

Это распределение можно рассматривать как суперпозицию двух азимутальных пространственных гармоник с равными амплитудами, распространяющимися по поверхности цилиндра в противоположных направлениях. Когда к цилиндру с ферромагнитной жидкостью приложено внешнее поле Н_о>0, фазовые отношения между этими гармониками меняются и узлы дифракционной картины поля поворачиваются на определенный угол (на фиг.2б этот оптимальный угол равен 60^o). Т. к. этот угол φ_д (угол поворота дифракционной картины) зависит от величины концентрации ферромаггнитных частиц С_v и поля подмагничивания H_о: φ_д = f[μ(C_v,H_o)] = π/3, то его стабилизация позволяет по току подмагничивания l_о судить о величине С_v.This distribution can be considered as a superposition of two azimuthal spatial harmonics with equal amplitudes propagating along the cylinder surface in opposite directions. When an external field H _o > 0 is applied to the cylinder with the ferromagnetic fluid, the phase relations between these harmonics change and the nodes of the diffraction pattern of the field are rotated by a certain angle (in Fig.2b, this optimal angle is 60 ^o ). Since this angle φ _d (the angle of rotation of the diffraction pattern) depends on the concentration of ferromagnetic particles C _v and the magnetization field H _o : φ _d = f [μ (C _v , H _o )] = π / 3, then its stabilization allows the bias current l _to judge the value of C _v .

При величинах С_v и Н_о, обеспечивающих постоянство: φ_д = π/3, один из узлов располагается по центру изолированного плеча 3 (фиг.2б). При этом распределение электрического поля, возбуждающего это плечо, соответствует не распространяющейся в нем волне Н₂₀. В центрах входного 1 и выходного плеч 2 амплитуды электрического поля практически равны (без учета поглощения энергии ферромагнитной жидкости) и между ними происходит передача энергии с малыми потерями.With values of C _v and H _about ensuring constancy: φ _d = π / 3, one of the nodes is located in the center of the isolated arm 3 (Fig.2b). In this case, the distribution of the electric field exciting this arm corresponds to the H ₂₀ wave that does not propagate in it. At the centers of the input 1 and output arms 2, the electric field amplitudes are practically equal (without taking into account the energy absorption of the ferromagnetic fluid) and energy transfer occurs between them with low losses.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа заключается в повышении качества и улучшении технологичности производства жидкости с ферромагнитными частицами, минимизации габаритов и массы измерителя, упрощении устройств ввода и вывода ферромагнитной жидкости в зону взаимодействия с полем бегущей волны. The technical and economic effect of the application of the proposed method consists in improving the quality and improving the manufacturability of a fluid with ferromagnetic particles, minimizing the dimensions and mass of the meter, simplifying the input and output devices of the ferromagnetic fluid into the zone of interaction with the traveling wave field.

Claims

Microwave - a method of measuring the concentration of ferromagnetic particles in a liquid, comprising placing a dielectric vessel with a liquid in a high-frequency electromagnetic and constant magnetic field and then registering the measurement of parameters characterizing high-frequency radiation, characterized in that the dielectric vessel with the ferromagnetic liquid is placed in the center connected in the H-plane the waveguide symmetric Y-tee is normal to its plane, along the axis of the dielectric vessel a constant, normal systematic way propagation, controlled magnitude and direction _of the magnetic field H, which is stabilized by the time of the maximum output power of the first output port Y-tee; reverse the direction of the vector H _o ; by changing the direction of the vector Н _о, when its magnitude is equal, the maximum output power of the second output arm is found, and the concentration of ferromagnetic particles in the liquid is judged from the average value of Н _about different directions.