Введение к работе
Актуальность. В процессе разработки новых специальных композиционных материалов ,отработки технологии их производства, контроля качества готовой продукции возникает необходимость определения электрофизических параметров гетерогенных дисперсны?: жидких сред с потерями, важнейшим из которых является диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость у, а также параметры, с которыми связаны их изменения.
Необходимость контроля вышеуказанных электрофизических параметров гетерогенных дисперсных жидких сред в диапазоне СВЧ обусловлена:
во-первых, необходимостью знания свойств гомогенных или гетерогенных дисперсных жидких сред именно в сантиметровом диапазоне, т.к. в более низкочастотном диапазоне свойства сред другие из-за дисперсии s и т;
во-вторых, специальные гетерогеннные жидкие среды, содержащие частицы поглотителей и магнитодиэлектриков, в диапазоне СВЧ проявляют свои гиромагнитные свойства и сопутствующие им эффекты взаимодействия стоячій и бегущих волн только лишь в присутствии внешнего подмагЕкчнвания;
з-третьих, при намагниченности выше насыщения, указанные жидкости обладают практически псевдокристамической структурой ориентации твёрдых частиц, что делает необходимым исследование эффекта ори-ентационной (относительно вектора Е" СВЧ поля) зависимости диэлектрической проницаемости от формы диспергированных частиц и их размера, с возможностью управления диэлектрической проницаемостью смеси внешним магнитным полем изменяя его пространственную ориентацию.
Существует также необходимость общей классификации СВЧ устройств измерения электрофизических параметров жидкости на бегущих и стоячих волнах. Для устройств на стоячих волнах решены частные задачи нахождения информационных параметров при наиболее интересных случаях расположения анализируемого объема среды в объёмных резонаторах (ОР). Однако - до сих пор нет сравнения информационных параметров ОР с разными структурами полей, отсутствует общая методика расчета полной добротности колебательных систем в функции измеряемой проводимости, с учетом информационного вывода энергии (минимаксная задача); отсутствует обоснование и классификация общей методики проектирования методов и устройств измерения информационных параметров ОР в функции диэлектрической проницаемости и удельной проводимости; мало исследован оптимальный метрологический выбор их параметров.
-2.-
Практически все известные устройства являются устройствами л бораторного типа с ручной настройкой без применения микропроцессс ной техники. Волноводные устройства измерения электрофизических п раметров жидких сред с потерями в режі-ше бегущих волн мало разраС таны и исследованы.
Резкое разграничение волноводных и резонаторних методов окаэ вается несущественным, так как имеется адекватная аналогия между р зонансной частотой и фиксированным набегом фазы, добротностью и п гонкым затуханием. Практически не исследованы ОР сложной формы, на ример сидьфонные, с легко управляемыми геометрическими параметрами
Таким образом, задача разработки методов и устройств СВЧ кон роля электрофизических параметров жидких сред с потерями актуальн Работа. выполнена на основании "Основных направлений развития воор жения и военной техники ВВС РФ на период до 2005 года" и "Планом Н ОКР ВВС РФ до 2000 года".
Цель работы заключается в разработке и исследовании комплек СВЧ резонаторних и волноводных методов и устройств определен электрофизических параметров дисперсных жидких сред, отличающих повышенными точностью и чувствительностью, и широкими функциональн ми возможностями.
Задачи работы. Для достижения указанной цели необходимо реши следующие задачи:
-
произвести анализ существующих СВЧ методов определения дк дектрнческой проницаемости и удельной проводимости и связанных с н ми параметров, попытка адекватной классификации СВЧ методов и ус ройств;
-
обосновать выбор структур полей бегущих и стоячих волн вектора параметров (варьируемых и неварьируемых) измерительных пр образователен на бегущих и стоячих волна;':;
-
произвести расчет информационных параметров предложены!» методами на основе разработанного метода "эквивалентных" реактивне тей , получить рекурентные зависимости для колебания Ноїр как наиб лее информационноемкого колебания и произвести сравнительный метр логический анализ информационны:': величин;
5) разработать СВЧ методы и устройства на стоячих и бегун волнах для определения электрофизических параметров специальных т. костей, произвести оптимальное проектирование, метрологический ав лиэ и экспериментальные исследования методов и устройств.
о "
Научная новизна. Разработаны методические основы проектирования комплекса методов и устройств на ОР и волноводах для измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости. На основе разработанного метода "эквивалентных" реактивностей получена адекватная модель зависимости информационных параметров ОР для основных колебаний и проведён их метрологический анализ. Разработана методика расчета общей добротности с учетом потерь на информационный вывод энергии. Разработаны совокупность методов и устройств измерения диэлектрической проницаемости спецжпдкостей:
а) метод стабилизации резонансной частоты при измерении диэ
лектрической проницаемости посредством:
адекватного изменения длины двухсильфонного ОР, адекватного перемещения анализируемого объема жидкости, "палевой" компенсации, т.е. изменением эквивалентной емкости за
счет изменения свойств специального компенсационного объема гиромаг-
нетика;
б) автогенераторные устройства и методы на двух слабо связанных
GP с колебаниями'Ноц-^Нои и Нои^Т колебаниями с полевой компенса
цией ;
в) разработаны кондуктометрические устройства на ОР с колебани
ями Нои, Еою о полевой компенсацией, изменением длины ОР для раз
ных объемов жидкостей.
и работе показана необходимость применения золкоеодных устройств JJ/1* измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости работающих в режиме бегущих волн. Разработаны устройства измерения комплекса параметров ферромагнитных жидкостей (ФШ), обладающие. расширенными функциональными возможностями.
Практическая значимость работы. Разработаны математическое и метрологическое обеспечение разработанных способов и устройств. Разработаны устройства о колебаниями Нои и Еою резонаторного типа. Рассмотрены возможности применения этих устройств для определения параметров ГСМ и спецграфитовых ферромагнитных суспензий. По заказу НТК ВВС разработан и внедрен в практику волноводкый измеритель комплекса паралетров жидких спецпокрытий летательных аппаратов.
Реализация результатов исследования. Результаты диссертации использованы в научно-исследовательских работах "Резонатор 95" и "Резонатор 97", проводимыми Тамбовским Высшим Военным Авиационный Инженерным Училищем им. Ф.Э.Дзержинского и подтверждены двумя положи-
тельными решениями на выдачу патента. СВЧ установка измерения комп лекса параметров жидких сред с потерями прошла стендовые испытания внедрена в практику аналитического контроля служб ГСМ в/ч 18216 Балашовского ВВАУЛ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 4-ой и 5-ой Межреспубликанских конференциях /Тамбов-1995 и 1997гг./ 1-й Всероссийской конференции / Москва, МГТУ им.Баумана-1994/;1-Всероссийской электрохимической школе /Тамбов-1995/.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения 5 глав,заключения.списка литературы и 9-й приложений,изложена на 17 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков,4 таблицы и 11 наименований литературы.
