КОНЦЕНТРАТОМЕР Российский патент 2000 года по МПК G01N22/00 G01N27/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.

Известны устройства для определения концентрации, в частности влагосодержания, жидких веществ (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A.C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С. 168-177). Эти устройства содержат радиоволновые (ВЧ и СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах такие устройства содержат проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде металлических поляризационных решеток, отражающих пластин, запредельных волноводов (ibid. , с. 173-174). Недостатком таких концентратомеров является невысокая точность измерения при изменении сортности контролируемых веществ, в частности базового вещества в смеси (эмульсии, растворе и др.) веществ.

Известно также техническое решение (авт. свид. СССР N 1497531, кл. G 01 N 22/04), содержащее описание устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому концентратомеру и принятое в качестве прототипа. Устройство- прототип содержит трубопровод с перекачиваемым веществом, два проточных объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Указанные резонаторы встроены в трубопровод на его измерительном участке последовательно. Устройство позволяет определять концентрацию (влагосодержание) вещества независимо от его сортности, являющейся функцией электрофизических параметров вещества.

Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это контролем разных областей перекачиваемой жидкости, находящихся одновременно в электромагнитном поле двух проточных резонаторов, что заведомо предопределяет снижение точности измерения при изменении сортности (и, следовательно, электрофизических параметров) жидкости.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом концентратомере, содержащем трубопровод с перекачиваемой жидкостью, установленный на его измерительном участке первый чувствительный элемент в виде проточного объемного резонатора, подключенного через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подсоединен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору, оно содержит также высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии со вторым чувствительным элементом в виде нагрузки на одном из его концов, размещенным на измерительном участке, и подключенный к его другому концу блок генерации ВЧ-электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений. В качестве колебательной характеристики отрезка длинной линии могут быть использованы резонансная частота его электромагнитных колебаний, входной импеданс, фазовый сдвиг падающей и отраженной от его нагрузки волн. В качестве нагрузки отрезка длинной линии может быть использован, в частности, металлический штырь, образованный продолжением внутреннего проводника длинной линии за пределы его длины, контактирующий с контролируемой жидкостью. Этот штырь может быть покрыт диэлектрической оболочкой.

Существенными отличиями, по мнению авторов, является: размещение обоих чувствительных элементов в пределах одного и того же измерительного участка трубопровода, наличие высокочастотного измерительного преобразователя, измерение его колебательной характеристики, выполнение ВЧ- чувствительного элемента в виде реактивной нагрузки отрезка длинной линии.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: обеспечение возможности зондирования одной и той же области жидкости, перекачиваемой по трубопроводу. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 изображено поперечное сечение трубопровода в сечении с элементами устройства. Здесь введены обозначения: 1 - трубопровод с перекачиваемой жидкостью, 2 - проточный объемный резонатор, 3 - СВЧ-генератор, 4 элемент возбуждения электромагнитных колебаний, 5 - элемент съема электромагнитных колебаний, 6 - блок регистрации частоты электромагнитных колебаний резонатора, 7 - отрезок длинной линии, 8 - реактивная нагрузка, 9 - блок генерации ВЧ электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, 10 - блок вычислений, 11 - индикатор, 12 и 13 - торцевые элементы объемного резонатора.

Устройство работает следующим образом. В проточном СВЧ-резонаторе 2, соответствующем по существу измерительному участку трубопровода 1, с помощью СВЧ-генератора 3 (в диапазоне частот реально ~ 1-50 ГГц) через элемент возбуждения колебаний 4 возбуждают электромагнитные колебания (фиг.1). Определение первого информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора 2, снимаемых с помощью элемента 5, производят с помощью блока регистрации частоты 6. В ВЧ-измерительном преобразователе, образованном отрезком длинной линии 7 с подключенной на его конце нагрузкой 8, возбуждают электромагнитные колебания в ВЧ-диапазоне (~1-100 МГц). Для возбуждения электромагнитных колебаний в этом отрезке длинной линии и для определения одной из его колебательных характеристик, являющейся вторым информативным параметром, служит блок 9. Измеренные значения обоих информативных параметров поступают с соответствующих блоков 6 и 9 на первый и второй входы блока вычислений 10 соответственно. С его выхода сигнал, полученный в результате совместного преобразования выходных сигналов блоков 6 и 9, поступает на индикатор 11. Этот сигнал соответствует высокоточному значению концентрации контролируемого вещества, не зависящему от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) этого вещества, степень содержания в котором другого вещества, в частности содержания воды или иного обладающего частотной дисперсией вещества, подлежит определению. В качестве нагрузочного сопротивления отрезка длинной линии могут быть использованы электрическая емкость, индуктивность, металлический штырь. В последнем случае этот штырь может быть образован удлинением внутреннего проводника длинной линии; нагрузочное сопротивление образовано при этом данным штырем и стенкой трубопровода. Для увеличения амплитуды принимаемого сигнала, поступающего с отрезка длинной линии в блок 9, штырь может быть покрыт диэлектрической оболочкой; при этом контролируемая жидкость с произвольными электрофизическими параметрами характеризуется в отрезке длинной линии эффективной диэлектрической проницаемостью двухслойной среды (контролируемой жидкости и оболочки).

Взаимное расположение элементов возбуждения и съема колебаний в резонаторе 2 и чувствительного элемента 8, например штыря, отрезка длинной линии на измерительном участке трубопровода может быть произвольным, в частности таким, как это показано на фиг.2. Здесь все эти элементы расположены в одном и том же сечении измерительного участка; чувствительный элемент 8 встроен в стенку резонатора 2 (штырь 8 пропущен через изолятор в стенке резонатора 2).

Проточный цилиндрический резонатор 2 может иметь в качестве торцевых стенок металлические решетки, форма и расположение проводников в которых соответствует силовым линиям возбужденного в резонаторе 2 типа колебаний, в частности низшего типа H₁₁₁ (см. книгу: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков A. C. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С. 173-174). Также резонатор 2 может иметь в качестве торцевых элементов запредельные волноводы в виде участков самого трубопровода 1 с обеих сторон измерительного участка (резонатора 2); при этом диаметр самого резонатора 2 увеличен по сравнению с диаметром трубопровода 1 (см. ту же книгу, стр. 174-176).

В данном устройстве, как и в прототипе, соответствующем способу измерения и приводимому в описании этого изобретения устройству, реализующему этот способ, принципиальную роль играет наличие частотной дисперсии диэлектрической проницаемости в используемых для измерений частотных диапазонах у хотя бы одного из веществ в их смеси (эмульсии, растворе и др.). При этом другое вещество такой дисперсией может не обладать, что характерно для многих реальных веществ, в частности нефти и нефтепродуктов. Частотной дисперсией в СВЧ-диапазоне обладают, например, вода, спирты, другие полярные жидкости. Так, у воды диэлектрическая проницаемость на частотах менее 100 МГц имеет значение около 80, а на частотах СВЧ-диапазона она значительно ниже (например, ~ 65 при частотах ~ 10 ГГц). Контролируемое вещество характеризуется диэлектрической проницаемость ε(ε_в1, ε_в2, ν), где ε_в1 и ε_в2 - значения диэлектрической проницаемости веществ (обозначено <в1> <в2>), концентрация ν смеси (эмульсии, раствора и др.) которых подлежит определению. Для проведения измерений необходимо знание аналитического выражения для s для двух используемых ВЧ- и СВЧ-диапазонов частот; в отсутствие такой расчетной зависимости для каких-либо контролируемых веществ она устанавливается экспериментально с последующей ее аппроксимацией соответствующим аналитическим выражением. Расчетные соотношения для конкретных контролируемых веществ приведены в прототипе (способе, приводимое в описании которого устройство принято в качестве прототипа).

В качестве информативного параметра в ВЧ-измерительном канале, реализуемом на основе отрезка длинной линии 7, могут быть использованы: резонансная частота f(ν) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии; входной импеданс Z_вх(ν) отрезка длинной линии; фазовый сдвиг Δϕ(ν) впадающих (от генератора к нагрузке) и отраженных (от нагрузки к регистратору) электромагнитных волн.

Осуществляя в блоке вычислений 10 совместное функциональное преобразование двух информативных параметров - резонансной частоты СВЧ-резонатора 2 и одной из колебательных характеристик отрезка длинной линии 7, можно определить с высокой точностью значение концентрации ν независимо от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) одного (базового из веществ в их смеси); это вещество может быть как неполярным диэлектриком, как это рассмотрено в прототипе, так и иметь иные электрофизические параметры. При этом решение составленной системы уравнений для зависимости ε от информативных параметров на двух рабочих частотах ВЧ- и СВЧ- диапазонов позволяет определить также и значение диэлектрической проницаемости самого базового вещества в смеси веществ и, следовательно, дать характеристику этому веществу, например определить его сортность.

Расположение обоих чувствительных элементов на одном и том же измерительном участке позволяет воспринимать информацию о концентрации вещества в одной и той же его области, что, тем самым, обеспечивает повышение точности измерений по сравнению с прототипом.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять концентрацию контролируемого вещества (эмульсии, раствора и др.) с высокой точностью, независимо от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) базового контролируемого вещества.

Концентратомер содержит трубопровод с перекачиваемой жидкостью, установленный на его измерительном участке первый чувствительный элемент в виде проточного объемного резонатора, подключенного через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору, высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии со вторым чувствительным элементом в виде нагрузочного сопротивления на одном из его концов, размещенным на измерительном участке, и подключенный к его другому концу блок генерации электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подключен вторым входом блок вычислений. Регистрируемой колебательной характеристикой отрезка длинной линии является резонансная частота его электромагнитных колебаний или его входной импеданс, или фазовый сдвиг падающих и отраженных от его нагрузки электромагнитных волн. Нагрузочным сопротивлением отрезка длинной линии является штырь, образованный удлинением внутреннего проводника длинной линии, штырь покрыт диэлектрической оболочкой. Технический результат заключается в повышении точности измерения. 5 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Концентратомер, содержащий трубопровод с перекачиваемой жидкостью, установленный на его измерительном участке первый чувствительный элемент в виде проточного объемного резонатора, подключенного через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору, отличающийся тем, что он содержит высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии со вторым чувствительным элементом в виде нагрузочного сопротивления на одном из его концов, размещенным на измерительном участке, и подключенный к его другому концу блок генерации электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подключен вторым входом блок вычислений. 2. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что регистрируемой колебательной характеристикой отрезка длинной линии является резонансная частота его электромагнитных колебаний. 3. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что регистрируемой колебательной характеристикой отрезка длинной линии является его входной импеданс. 4. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что регистрируемой колебательной характеристикой отрезка длинной линии является фазовый сдвиг падающих и отраженных от его нагрузки электромагнитных волн. 5. Концентратомер по п.1, отличающийся тем, что нагрузочным сопротивлением отрезка длинной линии является штырь, образованный удлинением внутреннего проводника длинной линии. 6. Концентратомер по п.5, отличающийся тем, что штырь покрыт диэлектрической оболочкой.