СВЧ - СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВЛАГИ И СТЕПЕНИ ЕЕ ЗАСОЛЕННОСТИ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Российский патент 2005 года по МПК G01N22/04 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности и засоленности жидких сред. Оно может найти применение, в частности, в нефтехимической промышленности.

Известен кондуктометрический способ определения влажности (см. Жуков Ю.П., Кулаков М.В. Высокочастотная безэлектродная кондуктометрия -М.: Энергия 1968. С.104). Измерение объемной влажности данным способом ограничено участком от 2% до 30%. В диапазоне влажностей 0-2% измерение практически невозможно, так как величины сопротивлений материалов становятся больше входных сопротивлений измерительных устройств. Другим недостатком является влияние на результат измерений непостоянства электропроводности самой влаги.

Известен резонаторный способ определения объемной концентрации влажности (см. Берлинер М.А. Измерение влажности -М.: Энергия 1973), принятый за прототип. Исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещается в полость объемного резонатора (ОР), возбуждается электромагнитное поле (ЭМП) определенной пространственной структуры: колебание типа Е₀₁₀ используется для определения малых значений объемной концентрации влаги; колебание типа Н₀₁₁ позволяет исследовать образцы с большим значением объемной концентрации влаги. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя (ПИП) служит вызванное введением исследуемого материала изменение добротности резонатора ΔQ=Q-Q₀ (Q-нагруженная; Q₀-ненагруженная добротности ОР. Недостатком прототипа является невозможность определять засоленность влаги.

Предлагаемое изобретение направлено на расширение функциональных возможностей.

Данный технический результат достигается тем, что СВЧ-способ определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, в котором исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость первого цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа E₀₁₀ в случае определения малых значений объемной концентрации влаги или Н₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги, измеряют нагруженную добротность первого цилиндрического объемного резонатора, являющуюся мерой объемной концентрации влаги в исследуемой жидкой среде, затем исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость второго цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Е₀₁₀ в случае определения малых значений объемной концентрации влаги или Н₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги, измеряют нагруженную добротность второго цилиндрического объемного резонатора на такой частоте, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных молекул воды, соизмеримы с потерями за счет засоленности, при этом нагруженная добротность второго цилиндрического объемного резонатора является мерой засоленности влаги, а частота первого цилиндрического объемного резонатора выбирается такой, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных водяных молекул в области СВЧ, много больше чем потери за счет засоленности.

Устройство для определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, содержащее цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, измеритель добротности, при этом выход перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход измерителя добротности - с приемной петлей цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход измерителя добротности - с управляющим входом перестраиваемого по частоте генератора СВЧ, дополнительно включает заполненный диэлектриком с малыми потерями второй цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, при этом диаметры и оси цилиндрических объемных резонаторов совпадают, второй перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, второй измеритель добротности, при этом выход второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход второго измерителя добротности - с приемной петлей второго цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход второго измерителя добротности - с управляющим входом второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ.

На чертеже представлено устройство для реализации предложенного способа.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Исследуемый образец строгой формы и размера (например, в виде трубопровода, расположенного аксиально в ЦОР1) помещается в полость ЦОР1, на частоте f₁ возбуждается ЭМ поле определенной пространственной структуры, например, Е₀₁₀ или Н₀₁₁ цилиндрического объемного резонатора. Измеряется нагруженная добротность ЦОР Q₁. Частота f₁ выбирается такой, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных водяных молекул в области СВЧ, много больше чем потери за счет засоленности (омические потери за счет тока проводимости, т.е. γ₀ См/м). В Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах в двух книгах. Книга 1. -М.: Мир. 1984. Стр.396 приведены справочные значения действительной ε'и мнимой ε" частей диэлектрической проницаемости воды на различных частотах и при различных температурах. В таблице приведен пересчет мнимой части ε" диэлектрической проницаемости воды в эквивалентную или эффективную удельную проводимость: c целью сравнения с γ₀ См/м за счет засоленности.

Удельная эквивалентная или эффективная проводимость воды за счет вращательной релаксации полярных молекул ( См/м)

Таблица№1t,°Cf₁=23.6 ГГцf₂=9.35 ГГцf₃=3ГГц036.21 См/м21.5См/м4.13 См/м104219.62.972045.4716.632.193046.4513.511.64043.95111.255039.898.790.976035.297.10.87028.865.350.57

В том же источнике на стр.399 приведены справочные данные для удельной проводимости воды γ₀ по постоянному току от степени засоленности, например для t=20°C (см. таблицу №2).

Удельная проводимость морской воды по постоянному току (γ₀, См/м) при t=20°C от засоленности

Как известно, общая удельная проводимость воды может быть выражена (см. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах в двух книгах. Книга 1. -М.: Мир. 1984. Стр.398, формула (10.1)):

где γ₀ - удельная проводимость воды по постоянному току;

- удельная проводимость воды за счет вращательной релаксации полярных молекул.

Частота f₁ может быть выбрана равной f₁=23.6 ГГц. Для t=20°C: =45.47 См/м >>γ₀=3.57 См/м (см. таблицы №1 и №2). Тогда нагруженная добротность ОР1 Q_l выражается в виде:

,

где W_зап1 - запасенная энергия электрического поля в ОР1 с определенной пространственной структурой на резонансной частоте f₁; Р_пот1 - мощность потерь в стенках ЦОР1, на ввод-вывод энергии и в исследуемом образце.

f₁ и W_зап1 можно считать неизменными из-за малого значения концентрации с_v влаги, если возбуждается колебание Е₀₁₀; при возбуждении колебания Н₀₁₁ f₁ и W_зап1 также можно считать неизменными из-за малого значения величины электрического поля у оси ЦОР.

Р_пот1 без учета потерь на ввод-вывод энергии и в стенках ЦОР1 и при условии >>γ₀:

(cν) - объем (объемная концентрация) влаги;

V - исследуемый объем; E₁ - значение напряженности электрического поля в исследуемом объеме.

Как видно из (2) P_пот1, а с ней и Q₁ зависят от объемной концентрации влаги c_v и не зависит от засоленности γ₀. Следовательно, нагруженная добротность Q₁ на частоте f₁ является мерой объемной концентрации с_v влаги.

Далее на частоте f₂ ЦОР2 с определенной пространственной структурой вводится в резонанс. Измеряется нагруженная добротность Q₂. Частота f₂ выбирается такой, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных молекул воды соизмеримы с потерями за счет засоленности. Такой частотой может быть выбрана, например, частота f₂=3 ГГц (см.табл.№1 и №2). В этом случае нагруженная добротность Q₂ имеет вид:

где W_зап2 - запасенная энергия электрического поля в ОР2 с определенной пространственной структурой на резонансной частоте f₂; P_пoт2 - мощность потерь в стенках ЦОР2, на ввод-вывод энергии и в исследуемом образце.

Р_пот2 - без учета потерь на ввод-вывод энергии и в стенках ЦОР2:

где Е₂ - значение напряженности электрического поля в исследуемом объеме.

Как видно из (3) P_пoт2 - а с ней и Q₂ зависят от объемной концентрации влаги c_v и от засоленности γ₀. Следовательно, нагруженная добротность Q₂ на частоте f₂ является мерой объемной концентрации c_v влаги. Т.о. Q₁ является мерой концентрации (c_v), a Q₂ - засоленности влаги.

Для измерения малых значений концентраций влаги предпочтительней использовать колебание Е₀₁₁ (электрическое поле этого колебания сосредоточено у оси ЦОР), для измерения больших значений концентраций – Н₀₁₁ (электрическое поле этого колебания у оси - мало). Интерес к колебаниям Е₀₁₀ и Н₀₁₁ вызван тем, что граничные условия для силовых линий электрического поля имеют простой вид, так как они (силовые линии) параллельны или перпендикулярны границе раздела двух сред: воздух - исследуемая среда (трубопровод, расположенный аксиально). Из всех типов низших колебаний в ЦОР только колебания Е₀₁₀ и Н₀₁₁ обладают осевой симметрией электромагнитного поля. К примеру, электрические силовые линии колебания Е₀₁₀ начинаются на одной и заканчиваются на другой торцевой стенке, то есть параллельны трубопроводу, а для колебания H₀₁₁ - касательны объему пробы, так как представляют собой замкнутые концентрические окружности.

Устройство для реализации предложенного способа состоит из трубопровода 1 с исследуемой жидкостью, первого цилиндрического объемного резонатора (ЦОР1) 2, второго цилиндрического объемного резонатора (ЦОР2) 3, первого перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 4, первого измерителя добротности 5, второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 6, второго измерителя добротности 7, возбуждающей петли 8 ЦОР1, приемной петли 9 ЦОР1, возбуждающей петли 10 ЦОР2, приемной петли 11 ЦОР2. ЦОР2 3 заполнен диэлектриком 12 с малыми потерями.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемая жидкость, с неизвестной концентрацией влаги и степенью ее засоленности протекает по трубопроводу. Трубопровод расположен на оси ЦОР1 2 и ЦОР2 3. Для удобства технологического исполнения диаметры ЦОР1 2 и ЦОР2 3 выполнены одинаковыми. Колебания перестраиваемого по частоте первого генератора СВЧ 4 подаются на возбуждающую петлю 8. Первый измеритель добротности 5 управляет частотой первого перестраиваемого по частоте генератора СВЧ 4. При совпадении частоты первого перестраиваемого по частоте генератора СВЧ с резонансной частотой колебания Е₀₁₀ (или Н₀₁₁) ЦОР1 2 посредством возбуждающей петли 8 в ЦОР1 2 возбуждается колебание Е₀₁₀ (или Н₀₁₁). Колебания СВЧ через приемную петлю 9 подаются на первый измеритель добротности 5. Первый измеритель добротности 5 измеряет одним из известных методов (например, по полосе пропускания колебательной системы) нагруженную добротность Q₁. Диапазон изменения частоты первого перестраиваемого генератора СВЧ выбирается таким, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных водяных молекул в области СВЧ, много больше чем потери за счет засоленности (омические потери за счет тока проводимости). Т.о. нагруженная добротность Q₁ является мерой концентрации влаги.

Аналогичным образом измеряется нагруженная добротность Q₂ ЦОР2 3. Диапазон изменения частоты второго перестраиваемого генератора СВЧ 6 выбирается таким, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных молекул воды, соизмеримы с потерями за счет засоленности. Для уменьшения резонансной частоты колебаний Е₀₁₀ (или Н₀₁₁) ЦОР2 3 заполняется диэлектриком. 12. Т.о. нагруженная добротность Q₂ является мерой засоленности влаги. Для измерения малых значений концентраций влаги предпочтительней использовать колебание E₀₁₁ (электрическое поле этого колебания сосредоточено у оси ЦОР), для измерения больших значений концентраций – H₀₁₁ (электрическое поле этого колебания у оси - мало).

Предлагаемое изобретение может найти применение в лабораторной практике, так как, например, процентное содержание и степень засоленности влаги в ГСМ влияет на КПД двигателя, в трансформаторном масле эти факторы влияют на пробивное напряжение и т.д.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности и засоленности жидких сред. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике, так как, например, процентное содержание и степень засоленности влаги влияет на КПД двигателя, а в трансформаторном масле эти факторы влияют на пробивное напряжение. Техническим результатом является возможность определения степени засоленности в жидких средах наряду с определением ее влажности. В способе исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость первого цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа E₀₁₀ случае определения малых значений объемной концентрации влаги или H₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги. Измеряют нагруженную добротность первого цилиндрического объемного резонатора, являющуюся мерой объемной концентрации влаги в исследуемой жидкой среде, затем исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость второго цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа E₀₁₀ в случае определения малых значений объемной концентрации влаги или H₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги, измеряют нагруженную добротность второго цилиндрического объемного резонатора на такой частоте , что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных молекул воды, соизмеримы с потерями за счет засоленности. При этом нагруженная добротность второго цилиндрического объемного резонатора является мерой засоленности влаги, а частота первого цилиндрического объемного резонатора выбирается такой, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных водяных молекул в области СВЧ, много больше чем потери за счет засоленности. Устройство для определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, содержит цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, измеритель добротности. Выход перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход измерителя добротности - с приемной петлей цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход измерителя добротности - с управляющим входом перестраиваемого по частоте генератора СВЧ. Имеется также заполненный диэлектриком с малыми потерями второй цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью. Диаметры и оси цилиндрических объемных резонаторов совпадают. Введены второй перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, второй измеритель добротности, при этом выход второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход второго измерителя добротности - с приемной петлей второго цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход второго измерителя добротности - с управляющим входом второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ. 2 н.п.ф-лы,1 ил.

1. СВЧ-способ определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, заключающийся в том, что исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость первого цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Е₀₁₀ в случае определения малых значений объемной концентрации влаги или Н₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги, измеряют нагруженную добротность первого цилиндрического объемного резонатора, являющуюся мерой объемной концентрации влаги в исследуемой жидкой среде, отличающийся тем, что исследуемый образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра помещают в полость второго цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Е₀₁₀ в случае определения малых значений объемной концентрации влаги или Н₀₁₁ в случае определения больших значений объемной концентрации влаги, измеряют нагруженную добротность второго цилиндрического объемного резонатора на такой частоте, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных молекул воды, соизмеримы с потерями за счет засоленности, при этом нагруженная добротность второго цилиндрического объемного резонатора является мерой засоленности влаги, а частота первого цилиндрического объемного резонатора выбирается такой, что потери, вызванные вращательной релаксацией полярных водяных молекул в области СВЧ, много больше, чем потери за счет засоленности.2. Устройство для определения содержания влаги и степени ее засоленности в жидких средах, содержащее цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, измеритель добротности, при этом выход перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход измерителя добротности - с приемной петлей цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход измерителя добротности - с управляющим входом перестраиваемого по частоте генератора СВЧ, отличающееся тем, что дополнительно включены заполненный диэлектриком с малыми потерями второй цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, при этом диаметры и оси цилиндрических объемных резонаторов совпадают, а также второй перестраиваемый по частоте генератор СВЧ, второй измеритель добротности, при этом выход второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ соединен с возбуждающей петлей, вход второго измерителя добротности - с приемной петлей второго цилиндрического объемного резонатора, а управляющий выход второго измерителя добротности - с управляющим входом второго перестраиваемого по частоте генератора СВЧ.