RU2347230C2 - Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells - Google Patents
Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells Download PDFInfo
- Publication number
- RU2347230C2 RU2347230C2 RU2006101412/28A RU2006101412A RU2347230C2 RU 2347230 C2 RU2347230 C2 RU 2347230C2 RU 2006101412/28 A RU2006101412/28 A RU 2006101412/28A RU 2006101412 A RU2006101412 A RU 2006101412A RU 2347230 C2 RU2347230 C2 RU 2347230C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cells
- substances
- dielectric
- frequency
- determination
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к физическим методам исследования и позволяет повысить точность определения динамической магнитной проницаемости магнитных веществ, выявлять магнитные свойства у полярных диэлектриков, определять диэлектрические свойства немагнитных проводящих полярных веществ, например всевозможных растворов. Поэтому изобретение может использоваться при решении фундаментальных и прикладных проблем как магнитных, так и полярных материалов.The invention relates to physical research methods and improves the accuracy of determining the dynamic magnetic permeability of magnetic substances, to reveal the magnetic properties of polar dielectrics, to determine the dielectric properties of non-magnetic conductive polar substances, for example, various solutions. Therefore, the invention can be used to solve fundamental and applied problems of both magnetic and polar materials.
Способ определения динамической магнитной проницаемости µ магнитных материалов по изменению индуктивности измерительных катушек (L-ячеек) хорошо известен [1]. Но определенные таким способом частотные зависимости значений µ больших магнитных образцов в области низких частот искажаются. Полагается, что это обусловлено возникновением в образцах вихревых токов.A method for determining the dynamic magnetic permeability μ of magnetic materials by changing the inductance of the measuring coils (L-cells) is well known [1]. But the frequency dependences of μ values of large magnetic samples determined in this way are distorted in the low-frequency region. It is believed that this is due to the appearance of eddy currents in the samples.
Наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ, разработанный для определения частотной зависимости диэлектрических параметров воды и ее растворов с удельной электропроводностью <20 мСм/см в диапазоне частот 10 кГц-100 МГц с помощью комплекта соленоидальных катушек индуктивности идентичного размера (L-ячеек), подключаемых к колебательному контуру куметра [2].The closest analogue of the proposed method is a method developed to determine the frequency dependence of the dielectric parameters of water and its solutions with specific conductivity <20 mS / cm in the frequency range 10 kHz-100 MHz using a set of solenoidal inductors of the same size (L-cells) connected to the oscillatory circuit of the meter [2].
При вводе исследуемой жидкости в диэлектрическом сосуде в L-ячейку происходит изменение индуктивности ячейки, обусловленное возникновением в жидкости токов смещения, зависящих от ее диэлектрических параметров. По значениям добротности Q и емкости С колебательного контура куметра при резонансе до (Q1; C1) и после (Q2; C2) помещения жидкости внутрь L-ячейки рассчитывается значение тангенса угла диэлектрических потерь объектаWhen a liquid under investigation is introduced into a L-cell in a dielectric vessel, the cell inductance changes due to the occurrence of bias currents in the liquid, which depend on its dielectric parameters. From the values of Q and Q capacitance of the oscillatory circuit of the meter at resonance before (Q 1 ; C 1 ) and after (Q 2 ; C 2 ) the liquid is placed inside the L-cell, the tangent of the dielectric loss angle of the object is calculated
а диэлектрическая проницаемость характеризуется величиной εотн=ΔC/ΔC∞, где ΔС и ΔС∞ - сдвиг резонансной емкости колебательного контура куметра после введения исследуемого объекта на частоте измерения и частоте порядка 10 МГц.and the dielectric constant is characterized by the value ε rel = ΔC / ΔC ∞ , where ΔС and ΔС ∞ are the shift of the resonance capacitance of the oscillatory circuit of the meter after the test object is introduced at the measurement frequency and frequency of about 10 MHz.
Предлагаемый способ, как и в прототипе, основан на измерении изменений параметров L-ячейки после введения в нее исследуемых веществ методом куметра. Однако в отличие от прототипа он позволяет находить не относительные, а абсолютные значения диэлектрической проницаемости веществ ε в сверхмалых вихревых электрических полях индуктивных L-ячеек, а также одновременно определять и динамическую магнитную проницаемость µ веществ.The proposed method, as in the prototype, is based on measuring changes in the parameters of the L-cell after introducing into it the investigated substances by the method of the meter. However, unlike the prototype, it allows you to find not relative, but absolute values of the dielectric constant of substances ε in the ultra-small vortex electric fields of inductive L cells, and also simultaneously determine the dynamic magnetic permeability μ of substances.
С целью разработки способа совместного определения магнитной и диэлектрической проницаемости материалов рассмотрим изменения параметров колебательного контура куметра, состоящего из калиброванного конденсатора переменной емкости С, а также измерительной L-ячейки с индуктивностью L и активным сопротивлением R. Условием резонанса колебательного контура с добротностью Q=ωL/R является соотношение:In order to develop a method for joint determination of the magnetic and dielectric permittivity of materials, we consider changes in the parameters of the oscillatory circuit of the meter, consisting of a calibrated capacitor of variable capacitance C, as well as a measuring L-cell with inductance L and active resistance R. The resonance condition of the oscillatory circuit with the quality factor Q = ωL / R is the ratio:
Ввод в L-ячейку любого вещества, магнитного или немагнитного, снижает добротность колебательного контура с Q1 до Q2 и уменьшает резонансную емкость на величину ΔC=C1-С2 (таблица 1).Entering into the L-cell of any substance, magnetic or non-magnetic, reduces the quality factor of the oscillatory circuit from Q 1 to Q 2 and reduces the resonant capacitance by ΔC = C 1 -C 2 (table 1).
Из (2) следует, что при Q>20 (этому условию соответствуют все эксперименты) влияние изменения добротности контура на условие резонанса не превышает 0,1%. Пренебрегая в (2) вкладом от Q, но учитывая в качестве следующего приближения, что L-ячейка имеет собственную емкость С0, для условия резонанса получаем соотношение:It follows from (2) that for Q> 20 (all experiments correspond to this condition), the influence of a change in the Q factor of the circuit on the resonance condition does not exceed 0.1%. Neglecting the contribution from Q in (2), but taking into account, as the next approximation, that the L-cell has its own capacitance C 0 , for the resonance condition we obtain the relation:
Если пренебречь наличием диэлектрических свойств у магнитного вещества, то ввод его в L-ячейку приведет к увеличению индуктивности ячейки в µ раз. Поэтому условие резонанса контура на частоте ω до и после ввода такого вещества в L-ячейку при Q>20 можно записать в виде:If we neglect the presence of dielectric properties of a magnetic substance, then entering it into an L-cell will increase the cell inductance by a factor of µ. Therefore, the condition of the resonance of the circuit at a frequency ω before and after introducing such a substance into the L-cell at Q> 20 can be written in the form:
где L0 - индуктивность пустой ячейки. Из (4) получаем, что для магнитного вещества должно выполняться соотношение:where L 0 is the inductance of the empty cell. From (4) we obtain that for a magnetic substance, the relation
Обозначив сдвиг резонансной емкости ΔC=C1-C2 за счет магнитных свойств вещества за ΔСµ, из (5) получаем, чтоDenoting the shift of the resonant capacitance ΔC = C 1 -C 2 due to the magnetic properties of the substance for ΔС µ , from (5) we obtain that
Таким образом величина сдвига резонансной емкости после ввода магнитных веществ в L-ячейку обратно пропорциональна индуктивности этой ячейки. Однако, согласно (5), отношение ΔC/(C1+C0) для магнитных веществ должно определяться величиной их магнитной проницаемости и не зависеть от индуктивности ячейки. Справедливость этого вывода на примере концентрированной ферромагнитной жидкости (ФМЖ - стабильная суспензия магнетита в углеводороде) подтверждают данные таблицы 1, для которой разброс значений ΔC/(C1+C0)=µ-1, найденных с помощью трех L-ячеек разной индуктивности, укладывается в 4% погрешность.Thus, the magnitude of the shift of the resonant capacitance after the introduction of magnetic substances into the L-cell is inversely proportional to the inductance of this cell. However, according to (5), the ratio ΔC / (C 1 + C 0 ) for magnetic substances should be determined by their magnetic permeability and not depend on the inductance of the cell. The validity of this conclusion on the example of concentrated ferromagnetic fluid (FMF is a stable suspension of magnetite in a hydrocarbon) is confirmed by the data in Table 1, for which the scatter of ΔC / (C 1 + C 0 ) = µ-1 values found using three L-cells of different inductances, The error is within 4%.
Как показано в [2], особенностью веществ, у которых можно пренебречь магнитными свойствами, является независимость сдвига резонансной емкости при их вводе в L-ячейку от индуктивности ячейки. Данный факт на примере чистой бидистиллированной воды подтверждают приведенные в таблице 1 экспериментальные данные.As shown in [2], a feature of substances in which magnetic properties can be neglected is the independence of the shift of the resonance capacitance when they are introduced into the L-cell from the inductance of the cell. This fact on the example of pure bidistilled water is confirmed by the experimental data shown in table 1.
Величина сдвига резонансной емкости ΔCε при вводе в данную L-ячейку немагнитного вещества определяется лишь значением его диэлектрической проницаемости ε. Следовательно,The magnitude of the shift in the resonance capacitance ΔC ε when a nonmagnetic substance is introduced into a given L-cell is determined only by the value of its dielectric constant ε. Hence,
где α - есть постоянная L-ячеек, зависящая лишь от их геометрических размеров. Для комплекта измерительных L-ячеек одинакового размера величина α имеет одно и то же значение, которое можно определить по результатам калибровочных экспериментов, например по измерению ΔCε химически чистых жидкостей с известным значением ε. Пример такого калибровочного эксперимента приведен в таблице 2.where α is the constant of L-cells, depending only on their geometric dimensions. For a set of measuring L-cells of the same size, the value of α has the same value, which can be determined by the results of calibration experiments, for example, by measuring ΔC ε of chemically pure liquids with a known value of ε. An example of such a calibration experiment is shown in table 2.
Пример калибровочного эксперимента по определению постоянной L-ячеек.Table 2.
An example of a calibration experiment to determine the constant of L-cells.
Разная зависимость ΔCε и ΔСµ от индуктивности L-ячеек позволяет найти обе эти величины с помощью двух L-ячеек одинакового размера с разной индуктивностью, настраиваемых на резонанс на исследуемой частоте. Для полного сдвига резонансной емкости, обусловленного магнитными и диэлектрическими параметрами вещества, для двух таких L-ячеек имеем:The different dependence of ΔC ε and ΔС µ on the inductance of L-cells allows us to find both of these values using two L-cells of the same size with different inductances, tuned to resonance at the frequency under study. For a complete shift of the resonance capacitance, due to the magnetic and dielectric parameters of the substance, for two such L-cells we have:
Из (7) получаем выражения для расчета µ и ε исследуемого вещества:From (7) we obtain the expressions for calculating μ and ε of the test substance:
Из соотношений (7) следует, что индикатором наличия у исследуемого вещества заметных магнитных свойств является отличие измеренных на двух L-ячейках значений сдвига резонансной емкости ΔС' и ΔС'', превышающей погрешность определения ΔС. Например, для куметров TESLA ВМ-311 или ВМ-311 погрешность ΔС составляет ±0,02 пф. В этом случае вклад от магнитных свойств вещества оказывается порядка точности эксперимента при Таким образом величину магнитной проницаемости данным методом можно находить для веществ с From relations (7) it follows that an indicator of the presence of noticeable magnetic properties in the substance under study is the difference between the values of the shift of the resonance capacitance ΔС 'and ΔС''measured on two L-cells, which exceeds the error in determining ΔС. For example, for TESLA BM-311 or VM-311 meters, the error ΔС is ± 0.02 pF. In this case, the contribution from the magnetic properties of the substance is of the order of the accuracy of the experiment at Thus, the magnetic permeability by this method can be found for substances with
Для веществ с параметры L-ячеек определяются только диэлектрическими свойствами. Для таких веществ по соотношению (1) находится tgδ диэлектрических потерь, а по соотношению (6) величина диэлектрической проницаемости ε. Из разработанного метода определения µ следует, что замеченное в [1] искажение значений µ больших образцов в области низких частот у веществ с электропроводностью <20 мСм/см в гораздо большей степени обусловлено не вихревыми токами, а вкладом от их диэлектрических свойств, поскольку величина ΔСε растет пропорционально сечению образца [2].For substances with L-cell parameters are determined only by dielectric properties. For such substances, the dielectric loss tanδ is found from relation (1), and the dielectric constant ε from relation (6). From the developed method for determining µ it follows that the distortion of µ values of large samples in the low-frequency region for substances with electrical conductivity seen in [1] <20 mS / cm, to a much greater extent, is caused not by eddy currents, but by the contribution from their dielectric properties, since ΔС ε grows proportionally to the cross section of the sample [2].
Неучет диэлектрических свойств наиболее существенно проявляется на величине µ массивных слабомагнитных образцов. На чертеже на примере образца гравия (объем образца 120 см2, диаметр 3 см), содержащего 3,5% магнетита, показано насколько значительно можно исказить вид частотных зависимостей ε и µ исследуемых образцов, если пренебречь для них вкладом от диэлектрических (фиг.1, A) или магнитных (фиг.1, B) свойств. При этом рассчитанные по соотношениям (8-9) частотные зависимости ε и µ на чертеже являются классическими и типичными для подобных образцов [1].The neglect of dielectric properties is most pronounced on the value µ of massive weakly magnetic samples. The drawing on the example of a gravel sample (
ЛитератураLiterature
1. Смит Я., Вейн X. Ферриты. М.: Иностранная литература. 1962. 504 с.1. Smith J., Wayne X. Ferrites. M .: Foreign literature. 1962. 504 p.
2. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью L-ячейки. Патент РФ №2234102 // БИПМ. №6. 2004.2. Semikhina L.P. A method for determining the dielectric parameters of water and its solutions in the low-frequency region using an L-cell. RF patent №2234102 // BIPM. No. 6. 2004.
Claims (1)
где C'1 и C''1 - резонансные емкости используемых L-ячеек до введения в них веществ; С0' и С0'' - их собственные емкости; ΔС' и ΔС'' - сдвиги резонансной емкости при вводе исследуемого вещества; α - постоянная L-ячеек, зависящая от их геометрических размеров и определяемая по измерению сдвига их резонансной емкости при вводе химически чистых органических немагнитных жидкостей с известным значением ε и |µ-1|<10-4. The method for determining the dielectric ε and dynamic magnetic μ permeabilities of substances with electrical conductivity <20 m S / cm in the frequency range 10 kHz-100 MHz using a set of solenoidal inductors of the same size (L-cells) connected to the oscillatory circuit of the meter, characterized in that for the simultaneous determination of ε and μ at each frequency two measurement L-cells of different inductances, tuned to resonance at this frequency, while the values of ε and μ are calculated by the relations:
where C ' 1 and C'' 1 are the resonance capacitance of the used L-cells before the introduction of substances in them; C 0 'and C 0 ''are their own capacities; ΔС 'and ΔС''are the shifts of the resonance capacitance upon the introduction of the test substance; α is the constant of L-cells, depending on their geometric dimensions and determined by measuring the shift of their resonant capacitance when chemically pure organic non-magnetic fluids are introduced with a known value of ε and | µ-1 | <10 -4 .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006101412/28A RU2347230C2 (en) | 2006-01-18 | 2006-01-18 | Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2006101412/28A RU2347230C2 (en) | 2006-01-18 | 2006-01-18 | Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2006101412A RU2006101412A (en) | 2007-07-27 |
RU2347230C2 true RU2347230C2 (en) | 2009-02-20 |
Family
ID=38431465
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2006101412/28A RU2347230C2 (en) | 2006-01-18 | 2006-01-18 | Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2347230C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2742762C1 (en) * | 2020-04-20 | 2021-02-10 | Людмила Петровна Семихина | A device for changing the properties of proton-containing objects, capable of implementing biophysical technology for preventing infectious epidemics |
-
2006
- 2006-01-18 RU RU2006101412/28A patent/RU2347230C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2742762C1 (en) * | 2020-04-20 | 2021-02-10 | Людмила Петровна Семихина | A device for changing the properties of proton-containing objects, capable of implementing biophysical technology for preventing infectious epidemics |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2006101412A (en) | 2007-07-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fiorillo | Measurements of magnetic materials | |
US6653841B1 (en) | Device and method for carrying out a contactless measurement of the conductivity of a liquid situated in a flow channel | |
US8618817B2 (en) | Device and method for determining at least one parameter of a medium | |
US3135914A (en) | Multi-frequency testing method and apparatus for selectively detecting flaws at different depths | |
US11221380B2 (en) | Method and apparatus for analyzing a sample volume comprising magnetic particles | |
US20090267617A1 (en) | Apparatus and method for measuring salinity of a fluid by inductance | |
RU2347230C2 (en) | Method of determination of dielectric and dynamic magnetic conductivity of substances in low-frequency field by means of inductive l-cells | |
US5528142A (en) | Resonant eddy analysis- a contactless, inductive method for deriving quantitative information about the conductivity and permeability of a test sample | |
US3450985A (en) | Eddy current testing system including bridged-t network | |
RU2234102C2 (en) | Method for determination of dielectric parameters of water and its solutions in audio-frequency region with the aid of l-cell | |
Cui et al. | Magnetic permeability measurement method for particle materials | |
Cui et al. | Development of electromagnetic tomography system using LCR meter | |
Wejgaard et al. | Contactless measurement of electrical resistivity by eddy current methods: discussion and a new technique | |
Stanci et al. | Magnetofluidic sensor for volume measurement | |
Harrington et al. | A re-entrant cavity for measurement of complex permeability in the very-high-frequency region | |
Lyons | Experiments on electromagnetic shielding at frequencies between one and thirty kilocycles | |
RU2778032C1 (en) | Paramagnetic sensor | |
CN111551880B (en) | High-sensitivity magnetic conductivity sensor based on cavity local field enhancement | |
Alecci et al. | Lumped parameters description of RF losses in ESR experiments on electrically conducting samples | |
SU1177751A1 (en) | Device for measuring components of complex impedance at high frequency | |
RU2298202C1 (en) | Method of measurement of magnetic field strength | |
JP6960655B2 (en) | Magnetic property measurement method for magnetic materials and magnetic property measurement device for magnetic materials | |
SU868662A1 (en) | Method of measuring magnetic permeability of ferromagnetic liquid materials | |
Chaychian et al. | MHz range frequency based sensor for Magnetic Particle Detection | |
RU2075757C1 (en) | Sensor of induced magnetic fields (variants) |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180119 |