УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ Российский патент 2008 года по МПК G01N27/26 G01R27/26 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.).

Известны различные устройства для определения физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С.Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. Стр. 168-177). Недостатком таких измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками: для диэлектрических жидкостей с большими диэлектрическими потерями добротность резонаторов может быть малой величиной и, соответственно, фиксируемые значения информативных сигналов малы для надежной регистрации.

Известно также техническое решение (патент США №5148125, М., кл.: G01R 27/00), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип, предназначенное для измерения диэлектрической проницаемости вещества, содержит автогенератор, выполненный в виде усилителя с цепью задержанной обратной связи. В эту цепь включен чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии, который располагается в контролируемом веществе. Частота этого автогенератора / определяется в первом приближении как

для инвертирующих усилителей и

для неинвертирущих усилителей.

Здесь t_л - время задержки сигнала в отрезке длинной линии; ty - время задержки сигнала в усилителе.

Так как t_л зависит от диэлектрической проницаемости контролируемого вещества, то частота f служит информативным параметром для определения этой диэлектрической проницаемости. Однако устройство-прототип имеет ограниченную область применения, обусловленную возможностью контроля веществ лишь в ограниченном диапазоне малых диэлектрических потерь. При выходе за пределы этого диапазона условие самовозбуждения автогенератора, известное как условие баланса амплитуд, уже не выполняется. Это условие выражается в виде неравенства

где К_у - коэффициент усиления усилителя; К_л - коэффициент передачи отрезка длинной линии.

При размещении контролируемого вещества с большими диэлектрическими потерями в электромагнитном поле этой длинной линии вследствие затухания сигнала в ней К_л уменьшается до недопустимо малой величины, и, следовательно, устройство становится неработоспособным.

Попытка же обеспечить условие самовозбуждения автогенератора путем увеличения К_у (путем, например, применения усилителя с большим коэффициентом усиления) приводит к увеличению времени задержки t_y в самом усилителе. А это, в свою очередь, в соответствии с формулой (1) или (2) приводит к уменьшению диапазона изменения f и, следовательно, к большему влиянию на погрешность измерения различных дестабилизирующих факторов, главным из которых является нестабильность величины t_y, которая в значительной степени зависит от температуры, напряжения питания, старения электронных компонентов и т.п. Теоретически уменьшить влияние величины t_y можно путем увеличения t_л, однако на практике это часто приводит к неоправданному увеличению геометрических размеров отрезка длинной линии или усложнению ее конструкции (например, при использовании спиральной линии задержки).

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем автогенератор, выполненный в виде располагаемого в контролируемой жидкости чувствительного элемента, представляющего собой отрезок длинной линии, входом и выходом подключенного, соответственно, к выходу и входу усилителя, выход которого является выходом устройства, достигается тем, что оно содержит активный полосовой фильтр, вход и выход которого подсоединены, соответственно, к выходу и входу усилителя.

Существенным отличительным признаком, по мнению авторов, является наличие в устройстве активного полосового фильтра, подсоединенного между входом и выходом усилителя.

Наличие этого отличительного признака предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность измерения физических свойств жидкости с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг.2 - вариант его технической реализации.

Здесь введены обозначения: 1 - чувствительный элемент, 2, 5 и 6 - усилители, 3 - активный полосовой фильтр, 4 - регистратор.

Устройство (фиг.1) содержит чувствительный элемент, выполненный в виде отрезка длинной линии, 1, усилитель 2 и активный полосовой фильтр 3. Выход усилителя 2 подсоединен к входу отрезка длинной линии 1 и к входу АПФ 3, выход которого, а также выход отрезка длинной линии 1 подсоединены к входу усилителя 2. Выход усилителя 2 является также выходом устройства и подключен к регистратору 4.

Чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1 (или линии задержки) погружается в емкость с контролируемой жидкостью или может быть заполнен ею для проведения измерений.

Устройство работает следующим образом. При включении напряжения питания и при выполнении вышеупомянутого баланса амплитуд (3) устройство, являясь автогенератором, генерирует электромагнитные колебания. Величина частоты f этих колебаний, служащей информативным параметром, определяется условием баланса фаз и зависит, в основном, от суммарного времени распространения t_л+t_у электромагнитного сигнала в отрезке длинной линии 1 и усилителе 2 согласно выражению (1) или (2).

Время t_л зависит, в свою очередь, как от электромагнитных параметров самого отрезка длинной линии 1, так и от электрофизических параметров контролируемой жидкости, в которой этот отрезок длинной линии находится.

Контролируемая жидкость может также заполнять только пространство между проводниками отрезка длинной линии, в частности между внутренним и наружным проводником коаксиальной линии. Время t_y определяется фазочастотной характеристикой усилителя и в значительной степени зависит как от схемы самого усилителя, так и от типов используемых в нем активных элементов (транзисторов), которые, как известно, не отличаются высокой температурной стабильностью. Поэтому температурная нестабильность времени t_y является основной составляющей температурной погрешности устройства.

Определяя частоту f регистратором 4, можно найти соответствующее значение измеряемого физического свойства жидкости (концентрации растворов, влагосодержания, плотности и др.). Физические свойства контролируемой жидкости, в свою очередь, функционально зависят от ее электрофизических параметров, в частности от диэлектрической проницаемости.

При измерении физических свойств (например, влагосодержания) веществ с большими диэлектрическими потерями коэффициент передачи отрезка длинной линии 1 уменьшается настолько, что условие самовозбуждения (3) при фиксированном значении К_у уже не выполняется. Обеспечить устойчивую работу устройства в этом случае можно путем увеличения К_у, при этом, однако, увеличивается также t_y и, соответственно, температурная погрешность устройства. Кроме этого, увеличение t_y приводит к уменьшению частотного перекрытия устройства, что также ухудшает метрологические параметры устройства.

В предлагаемом устройстве устойчивое самовозбуждение устройства реализуется с помощью активного полосового фильтра 3, который создает дополнительный контур положительной обратной связи. Коэффициент усиления этого фильтра в пределах полосы пропускания выбирается достаточно большим, чтобы обеспечить условие самовозбуждения устройства при контроле жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками с заданными диэлектрическими потерями. Полоса пропускания активного полосового фильтра 3 выбирается в соответствии с заданным частотным диапазоном устройства, определяемым по формуле (2) или (3). Обычно выбирается низший частотный диапазон, так как при этом вклад t_y в погрешность измерения минимален. Следует отметить, что если усилитель 2 является инвертирующим, то для создания положительной обратной связи инвертирующим должен быть и активный полосовой фильтр 3. Соответственно, если усилитель 2 неинвертирующий, то таким же должен быть и активный полосовой фильтр 3.

На фиг.2 представлен вариант технической реализации предлагаемого устройства. Здесь в качестве усилителя 2 и активного полосового фильтра 3 используются быстродействующие логические элементы "НЕ", которые по сравнению с другими типами усилителей (например, операционными усилителями) имеют минимальное время t_y. Выбор конкретных типов этих элементов обусловлен максимальной частотой генерации устройства, что имеет место, когда отрезок длинной линии 1 находится в газовой среде или в контролируемой жидкости с минимальным значением диэлектрической проницаемости. Чем выше эта частота, тем более быстродействующими должны быть усилители 2, 5 и 6.

Отрезок длинной линии 1 включен между входом и выходом усилителя 2. Поскольку этот усилитель является инвертирующим, то условие баланса фаз выполняется лишь на частотах, при которых электромагнитные волны, распространившись по отрезку длинной линии, изменяют свою фазу на 180. Цепь R1C1 обеспечивает согласование отрезка длинной линии 1 с входом усилителя 2.

Цепь R2C2 и усилитель 5 образуют активный полосовой фильтр и создают цепь положительной обратной связи, которая обеспечивает наилучшие условия самовозбуждения при значительном затухании сигнала в отрезке длинной линии. Это обычно происходит при измерении физических свойств жидкостей с большими диэлектрическими потерями. Усилитель 7 выполняет функцию выходного усилителя и обеспечивает развязку цепей автогенератора от влияния внешних цепей.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения физических свойств жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.

Изобретение может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). Устройство для измерения физических свойств жидкости содержит автогенератор, выполненный в виде располагаемого в контролируемой жидкости чувствительного элемента. Чувствительный элемент представляет собой отрезок длинной линии, входом и выходом подключенный, соответственно, к выходу и входу усилителя, выход которого является выходом устройства. Устройство также содержит активный полосовой фильтр, вход и выход которого подсоединены, соответственно, к выходу и входу усилителя. Изобретение обеспечивает расширение области применения за счет обеспечения возможности контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости. 2 ил.

Устройство для измерения физических свойств жидкости, содержащее автогенератор, выполненный в виде располагаемого в контролируемой жидкости чувствительного элемента, представляющего собой отрезок длинной линии, входом и выходом подключенного, соответственно, к выходу и входу усилителя, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что оно содержит активный полосовой фильтр, вход и выход которого подсоединены, соответственно, к выходу и входу усилителя.