СВЧ-РЕЗОНАТОРНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ ВЛАГИ В ЖИДКИХ СРЕДАХ Российский патент 2008 года по МПК G01N22/04 

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких сред. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей.

Известен способ определения влажности жидких сред (Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение. 1995 г., с.337), в котором исследуемая жидкость вводится в электростатическое поле и определяется обратная реакция на источник этого поля. В качестве источника поля применяют электрический конденсатор, который является одновременно и первичным электроемкостным преобразователем (ЭП).

Недостатком известного способа является влияние на результат ионного состава влаги (засоленность) и высокая погрешность при измерении жидкостей с высоким тангенсом угла диэлектрических потерь (например, за счет высокой доли влагосодержания). ЭП может включатся в выносной резонансный контур. Частота колебаний и напряжение контура поддерживаются постоянными. Изменение емкости и проводимости контура после внесения объекта контроля в электрическое поле ЭП компенсируется с помощью варикапа или тунельного диода. Недостатком является влияние на результат ионного состава влаги и невысокая точность определения влагосодержания из-за низкой добротности резонансного контура (не выше 50).

Известен резонаторный способ определения объемной доли влаги (см. Берлинер М.А. Измерение влажности - М.: Энергия 1973), принятый за прототип. В прототипе исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора (ОР). При этом ось трубопровода совмещают с продольной осью объемного резонатора. Возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа Н₀₁₁. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя служит вызванное введением исследуемой жидкости изменение резонансной частоты резонатора Δf=f-f₀ (f - резонансная частота резонатора с исследуемой жидкостью; f₀ - резонансная частота пустого ОР).

Недостатком прототипа является невысокая точность определения влажности жидкостей в полевых условиях, так как на резонансную частоту оказывает влияние изменение линейных размеров резонатора при вариации температуры. Для уменьшения влияния температуры на точность измерений элементы измерителя частоты (от геометрических размеров которых зависит длина волны) изготовляются из инвара или других сплавов. Температурный коэффициент линейного расширения инвара в 10...30 раз меньше по сравнению с медью, латунью, алюминием, серебром, бронзой, но при этом удельная проводимость этого металла меньше удельной проводимости перечисленных металлов в 30...50 раз. Это приводит к уменьшению добротности пустого резонатора, что значительно снижает точность измерений. Сочетание металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, позволяет получить удовлетворительную температурную компенсацию в широком интервале температур (±10°С). Однако работа в полевых условиях требует температурной компенсации в более широких пределах (плюс 50 ... минус 40°С). Водные пары, содержащиеся в воздухе, заполняющем резонатор, также оказывают заметное влияние на диэлектрическую постоянную воздуха, а следовательно, и на резонансную длину волны. В связи с этим при измерениях длины волны необходимо вносить поправку на влажность воздуха ОР (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963. - 632 с.).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения объемной доли влаги в жидких средах.

Данный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ-резонаторном способе определения объемной доли влаги в жидких средах исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Н₀₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Н₀₁₁, дополнительно возбуждают колебание Е₁₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е₁₁₁, по разности резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ судят об объемной доли влаги в жидких средах.

На фиг.1 представлена схема расположения трубопровода с исследуемой жидкостью в цилиндрическом объемном резонаторе. На фиг.2 - зависимость разности возмущенных частот (f_H011-f_E111) колебаний H₀₁₁ и Е₁₁₁ от ε_см при коаксиальном расположении исследуемой среды при различных отношениях b/а, на фиг.3 - экспериментальная зависимость тока детектора I_ДТ при изменении частоты f питающего генератора СВЧ, на фиг.4 - устройство для определения объемной доли влаги в жидких средах.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Исследуемую жидкость помещают в трубопровод 2, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора (ОР) 1 (фиг.1). При этом ось трубопровода 2 совмещают с продольной осью Z объемного резонатора 1. Возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа H₀₁₁ без учета влияния трубопровода толщиной Δ на частоте (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.63, формула (3.18).)

где

ε₀, μ₀ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума соответственно; ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости; J₀(3.832r/a) - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка; J₁(3.832r/a) - 1-го рода 1-го порядка; а - радиус, а l - длина ОР; b - радиус трубопровода.

Далее возбуждают колебание Е₁₁₁. Определяют разность резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁. Зависимость разности резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ от относительной диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости ε_см имеет вид (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.63, формула (3.19).)

Где

По ε_см определяют объемную долю влаги с использованием формулы Лихтенекера (Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В.В.Клюев. - М.: Машиностроение, 1995. - 487 с.)

где ε₁ - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости без содержания влаги; ε₂ относительная диэлектрическая проницаемость воды на СВЧ; V - относительная объемная доля влаги.

На фиг.2 представлены теоретические зависимости разности от ε_см для различных отношений радиуса трубопровода b к радиусу резонатора а (а/b), а также экспериментальные значения разности частот для a/b=0.1.

На фиг.3 а, б, в показана экспериментальная зависимость тока детектора при изменении частоты питающего генератора СВЧ при 40, 50, 60% содержании влаги в этиленгликоле соответственно. Параметры измерительной ячейки: длина ЦОР l≈67 мм, радиус ЦОР а≈35 мм, b/а=0,1, исследуемая жидкость - этиленгликоль с 40,50 и 60% содержанием воды. Из графиков видно, что, установив определенный порог, можно отселектировать колебания, кроме основных H₀₁₁ и E₁₁₁. Из двух колебаний H₀₁₁ и E₁₁₁ необязательно определять тип колебания, так как измеряется разность резонансных частот, что устраняет возможность перепутывания типов колебаний. В связи с этим нет необходимости применения специальных фильтров колебаний, снижающих также добротность и основного колебания.

Для b/а=0.1 результаты эксперимента представлены в таблице. На основе формулы Лихтенекера V пересчитаны в ε_см. Пересчитанные значения V в ε_см также приведены в таблице 3.1.

Таблица. - Зависимость разности возмущенных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ от ε_см при коаксиальном расположении исследуемой средыИзмеряемый параметрОбъемная доля влаги в этиленгликоле V,% 40506052.859.666.3ε_см3540.246.3

Экспериментальная разность резонансных частот в виде точек показана на фиг.2.

Так как резонансные частоты колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ пустого ЦОР равны, то изменения температурного режима не сказываются на разности резонансных частот ЦОР: вырождение колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ сохраняется при вариации линейных размеров, что особенно существенно при работе датчика в полевых условиях, например, при контроле влажности специальных авиационных жидкостей. Вырождение сохраняется и при изменении влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР. Таким образом, не надо делать поправок на влажность воздуха, что упрощает устройство и повышает точность.

Таким образом, увеличение точности достигается за счет устранения температурной погрешности, вызывающей изменение линейных размеров ЦОР и погрешности за счет изменения влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость резонатора.

Оценим эту погрешность для известного метода с колебанием H₀₁₁ при коаксиальном расположении исследуемой среды. Минимальную добротность ЦОР примем равной 100. Отношение b/а для ε₁=19,7; ε₂=81; V=0.6; γ_ж=16 См/м (удельная электропроводность воды (см. Кинг Р. Антенны в материальных средах: в 2 кн. - М.: Мир, 1984. - Кн.1. - 567 с.) на частоте 5.602 ГГц (резонансная частота колебания Н₀₁₁ при V=0.6) из выражения для добротности колебания H₀₁₁ при коаксиальном расположении исследуемой среды (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.40, формула (2.46).)

равно 0.17 (b/a=0.17). Далее полученное отношение b/а подставим в выражение для частоты колебания Н₀₁₁ при коаксиальном расположении исследуемой среды (1). При этом абсолютный уход частоты Н₀₁₁ составит 82 МГц.

Из справочных данных коэффициент линейного расширения для бронзы α=17,5·10-6  1/°C. (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963, с.247). С учетом а=35 мм, l=67 мм при изменении температуры от минус 40°С до плюс 40°С, по формуле (тот же источник, формула (5.42))

уход частоты составит 18 МГц. Следовательно, погрешность, вызванная изменением линейных размеров в указанных температурах, составит ¹⁸/₈₂·100%=22%. При уменьшении радиуса трубопровода погрешность будет увеличиваться. В частности, для Q, равной 1000, эта погрешность составит 41%.

Оценим изменение погрешности измерения диэлектрической проницаемости, а с ней и влажности, за счет изменения влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР.

Из номограммы поправок на влажность и температуру (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963., Рис.5. 45, 248 стр.) следует, что изменение температуры с 20 до 45°С и влажности воздуха с 60 до 100% приводит к изменению резонансной частоты на 0.03%. Так как резонансная частота пустого резонатора пропорциональна , то диэлектрическая проницаемость воздуха ε_В изменится на 0.06%. Подставив в формулу (2) значения диэлектрической проницаемости воздуха, ε_В=ε₀=1 и ε_В=1.0006ε₀, разброс значений для ε_СМ=40.2 (см. таблица) составит ≈0.0015%.

Абсолютный уход Δf резонансной частоты колебания Н₀₁₁ для b/а=0,1 и ε_СМ=40.2 составляет из (1) 55 МГц. Резонансная частота колебания Н₀₁₁ пустого резонатора с параметрами: а=35 мм, l=67 мм составляет 5.6892 ГГц. С учетом, что изменение температуры с 20 до 45°С и влажности воздуха с 60 до 100% приводит к изменению резонансной частоты на 0.03% (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963, Рис.5. 45, 248 стр.), составит 3.1%.

С физической точки зрения такое отличие на 3 порядка объясняется тем, что вырождение колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ сохраняется при изменении влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР. А так как возмущенный объем находится на оси резонатора, где электрическое поле колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ равно нулю и при этом для b/а=0.1 занимает 1/100 часть внутренней полости, то изменение диэлектрической проницаемости воздуха примерно одинаково влияет на резонансные возмущенные частоты этих колебаний. Таким образом, в предложенном двухмодовом способе не надо делать поправок на влажность воздуха или предпринимать специальных мер по ее устранению, как в одномодовом способе измерений, при этом значительно снижается погрешность, вызванная изменением линейных размеров ЦОР.

На фиг.4 изображен пример реализации устройства для определения объемной доли влаги в жидких средах.

Предложенное устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора 1, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью 2, продольная ось трубопровода 2 совпадает с продольной осью ЦОР 1 перестраиваемого генератора СВЧ 5, его колебания через ответвитель 6 подаются на петлю связи 3. Выходной сигнал снимается с петли связи 4. Плоскости петель 3 и 4 расположены под углом 45° к плоскости чертежа, а сами петли расположены по середине длины ЦОР. В состав устройства входят также амплитудный детектор (АД) 7, аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП), выход которого соединен с первым информационном входом микропроцессора 9, а управляющий вывод микропроцессора - со входом цифро-аналогового преобразователя 10 (ЦАП). На первый вход смесителя 11 подаются колебания опорного генератора 12, на второй - колебания со второго выхода ответвителя 6, а его выход соединен со входом преобразователя "частота - код" 13, соединенного своим выходом со вторым информационным входом микропроцессора 9. Выходной сигнал ЦАП 10 управляет частотой перестраиваемого генератора СВЧ.

Устройство для определения объемной доли влаги в жидких средах работает в два цикла. В первом цикле СВЧ колебания перестраиваемого генератора СВЧ 5 направляются в ЦОР 1 через ответвитель. Управление частотой перестраиваемого генератора СВЧ 5 осуществляется кодом N_i={N_min, N_max} микропроцессора 9. При этом частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 изменяется от f_min до f_max. В ЦОР 1 петлей связи 3 последовательно возбуждаются колебания H₀₁₁ и Е₁₁₁. Сигнал через петлю связи 4, АД 7, АЦП 8 поступает в микропроцессор 9, в котором запоминается код соответствующий резонансной частоте колебания H₀₁₁ и код соответствующий резонансной частоте колебания E₁₁₁. Во втором цикле микропроцессор 9 выдает код Частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 устанавливается равной резонансной частоте колебания Колебание этой частоты подается на первый вход смесителя 11, на второй вход которого поступает сигнал с опорного генератора СВЧ 12, имеющего постоянную частоту f_on. На смесителе 11 выделяется колебание разностной частоты и в виде кода Δf₁ запоминается в микропроцессоре 9. Далее в микропроцессор 9 поступает код . Частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 устанавливается равной резонансной частоте колебания На смесителе 11 выделяется колебание разностной частоты и в виде кода Δf₂ запоминается в микропроцессоре 9. Микропроцессор 9 по кодам Δf₁ и Δf₂ определяет разность резонансных частот: Мерой объемной доли влаги V в жидких средах в устройстве является разность

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких сред. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения объемной доли влаги в жидких средах. Данный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ - резонаторном способе определения объемной доли влаги в жидких средах исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Н₀₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Н₀₁₁, дополнительно возбуждают колебание Е₁₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е₁₁₁ и по разности резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ судят об объемной доли влаги в жидких средах. 4 ил., 1 табл.

СВЧ-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких средах, в котором исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который в свою очередь помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное колебание Н₀₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием H₀₁₁, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают колебание Е₁₁₁, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е₁₁₁ и по разности резонансных частот колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ судят об объемной доли влаги в жидких средах.