УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ Российский патент 2011 года по МПК G01N27/22 

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.). В частности, оно может быть применено в пищевой промышленности для измерения концентрации водо-спиртовых растворов.

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 невозможностью контроля малых изменений физических свойств жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для обеспечения возможности проведения таких измерений применяют двухканальные измерительные схемы с эталонными каналами, в которых чувствительные элементы содержат жидкости с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.258-268).

Известно также техническое решение (патент РФ №2285913, МПК: G01N 22/00, G01R 27/26), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа ТЕМ и заполняются соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, имеются линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительного канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора.

Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) измерительного и эталонного каналов содержат соответственно контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов - коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных зависящих от температуры изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, достигается тем, что отрезки коаксиальной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной линии. В данном устройстве линией связи каждого измерительных канала может являться отрезок длинной линии, а чувствительный элемент может являться его оконечной нагрузкой.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, соосное расположение отрезков коаксиальной линии и их образование совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника; во-вторых, использование внутренней поверхности внутреннего цилиндра в качестве наружного проводника одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружной поверхности - в качестве внутреннего проводника другого отрезка коаксиальной линии; в-третьих, использование в качестве линии связи каждого измерительного канала соответствующего отрезка длинной линии, а в качестве чувствительного элемента - его оконечной нагрузки в виде отрезка коаксиальной длинной линии.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность контроля одной и той же области контролируемой жидкости, находящейся при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.).

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели изобретения.

На фиг.1,а и фиг.1,б изображена функциональная схема устройства, соответственно, при отсутствии и наличии диэлектрических оболочек на проводниках отрезков коаксиальной линии. На фиг.2 - функциональная схема устройства, в которой линией связи каждого измерительных канала является отрезок длинной линии, а соответствующий чувствительный элемент является его оконечной нагрузкой.

Здесь введены обозначения: 1 и 2 - отрезки коаксиальных линий, 3 и 4 - внутренний и внешний цилиндры, 5 - внутренний проводник, 6 и 7 - линии связи, 8 и 9 - электронные блоки, 10 - функциональный преобразователь, 11 и 12 - диэлектрические оболочки.

Один из чувствительных элементов - отрезок коаксиальной линии 1 - образован совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндра 3 и внешним цилиндром 4, а другой чувствительный элемент - отрезок коаксиальной линии 2 - совокупностью внутреннего проводника 5 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3 (фиг.1,а). Пространство между проводниками одного из этих отрезков коаксиальной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого параметра (физического свойства), а пространство между проводниками другого отрезка коаксиальной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе. С помощью проводников линии связи 6 отрезок коаксиальной линии 1 подсоединен к электронному блоку 8, а с помощью проводников линии связи 7 отрезок коаксиальной линии 2 подсоединен к электронному блоку 9. Выходы электронных блоков 8 и 9 подключены к входу функционального преобразователя 10.

Устройство работает следующим образом.

Отрезок коаксиальной линии может представлять собой резонатор с сосредоточенными (электрическую емкость) или распределенными параметрами на его основе (во втором случае - это отрезок коаксиальной длинной линии) с информативным параметром в виде резонансной частоты / электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. 280 с.). При заполнении жидкостью пространства между проводниками отрезка коаксиальной линии изменяется величина измеряемого информативного параметра в зависимости от электрофизических параметров жидкости - ее диэлектрической проницаемости ε или (и) тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (проводимости σ), функционально связанных с измеряемым параметром (физическим свойством жидкости). Значения резонансной частоты f, находящейся обычно в пределах 1÷100 МГц, определяются размерами отрезков коаксиальной линии и электрофизическими параметрами жидкостей. Данные чувствительные элементы (отрезки коаксиальной линии) функционируют независимо друг от друга; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния, поскольку подключение линий связи 6 и 7 к внутреннему цилиндру 3 в его верхней части осуществляется с его разных сторон.

С помощью электронных блоков 8 и 9 производят измерение значений f₁ и f₂ основной резонансной частоты электромагнитных колебаний, отрезков коаксиальных линий (коаксиальных резонаторов) 1 и 2 соответственно. В частности, каждый из отрезков коаксиальных линий 1 и 2 может быть включен в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора, которым в данном случае является блок 8 и 9, и определяет его частоту генерации. Эти частоты поступают в блок 10 для совместной функциональной обработки с целью измерения величины измеряемого параметра.

Пусть для определенности отрезок коаксиальной линии 1 заполняется контролируемой жидкостью, а отрезок коаксиальной линии 2 - эталонной жидкостью. Тогда значения ƒ₁ и ƒ₂ являются функциями измеряемого параметра x (физической величины) и его номинального значения x₀. Значения x и x₀ зависят от электрофизических параметров соответственно контролируемой и эталонной жидкостей.

Поскольку отрезки коаксиальных линий 1 и 2 пространственно совмещены, то они находятся в одинаковых внешних условиях, в частности при одной и той же температуре. Следовательно, результат совместной функциональной обработки в блоке 10 значений частот ƒ₁ и ƒ₂, соответствующих измеряемому значению x и эталонному значению x₀ и определяемых в электронных блоках 8 и 9, не зависит от температуры, а только от величины измеряемого параметра. Чаще всего блок 10 - это вычитающее устройство с определением разности частот ƒ₁ и ƒ₂. При этом возможно с высокой точностью измерять малые изменения (доли процента) измеряемого параметра x.

Для контроля жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками, целесообразно, для повышения добротности резонаторов, покрывать их проводники диэлектрическими оболочками; в коаксиальных резонаторах целесообразно покрыть такими оболочками их внутренние проводники, где сконцентрирована энергия электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. Стр.125-131). В данном случае в отрезке коаксиальной линии 1 для этой цели диэлектрической оболочкой покрыта наружная поверхность внутреннего цилиндра 3, которая соответствует внутреннему проводнику коаксиального резонатора 1 (фиг.1,б). В отрезке коаксиальной линии 2 диэлектрической оболочкой покрыт внутренний проводник 5.

Данное устройство (фиг.1,б) целесообразно, в частности, применять для определения концентрации смесей (растворов), по меньшей мере, один из компонентов которых является несовершенным диэлектриком с большим процентным содержанием в смеси. Так это устройство позволяет определять весьма малое содержание (доли процента) примесей в воде, являющейся несовершенным диэлектриком.

Отрезки коаксиальных линий 1 и 2 могут иметь одинаковые начальные (в отсутствие жидкостей) значения ƒ₁₀ и ƒ₂₀ резонансных частот ƒ₁ и ƒ₂ электромагнитных колебаний. Это относится к их конструкциям, изображенным как на фиг.1,а, так и на фиг.1,б. При равенстве ƒ₁₀ и ƒ₂₀ их разность, определяемая в блоке 10, равна нулю как в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей, так и наличии одной и той же жидкости (т.е. при начальных условиях x=x₀) в обоих отрезках коаксиальных линий 1 и 2. В этом случае разность частот ƒ₁ и ƒ₂ соответствует только изменению x-x₀ измеряемого параметра x, что особенно важно при проведении высокоточных измерений малых значений содержания одной жидкости в смеси жидкостей (растворе).

Для конструкции на фиг.1,а такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной l отрезков коаксиальных линий 1 и 2 и выбором соотношения диаметров проводников 3, 4 и 5 отрезков коаксиальных линий 1 и 2, а для конструкции на фиг.1,б - выбором соотношения как диаметров этих проводников, так и толщин диэлектрических оболочек на внутреннем цилиндре 3 и внутреннем проводнике 5. Такой выбор может быть сделан, зная погонные значения (т.е. на единицу длины линии) электрической емкости C_l отрезков коаксиальных линий при отсутствии и наличии диэлектрических оболочек на их проводниках. При одинаковой длине l отрезков коаксиальных линий 1 и 2 соотношение ƒ₁₀=ƒ₂₀ обеспечивается при равенстве погонных значений электрических емкостей C₁ и C₂ отрезков коаксиальных линий 1 и 2 (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. Стр.125-131). Для конструкции на фиг.1,а электрические емкости C₁ и C₂ отрезков коаксиальных линий 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:

где ε₀=1/36π·10⁹ Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, d₁, d₂, d₃, d₄ - соответственно диаметр внешнего цилиндра, наружный диаметр внутреннего цилиндра, внутренний диаметр внутреннего цилиндра и диаметр внутреннего проводника. Следовательно, ƒ₁₀=ƒ₂₀, что соответствует следующему соотношению: d₁/d₂=d₃/d₄.

Для конструкции на фиг.1,б электрические емкости C₁ и C₂ отрезков коаксиальных линий 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:

где d₅ и d₆ - соответственно, диаметр наружный диаметр внутреннего цилиндра с диэлектрической оболочкой и диаметр внутреннего проводника с диэлектрической оболочкой, ε_п - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки.

Следовательно, ƒ₁₀=ƒ₂₀, если C₁=C₂; для этого, как следует из этих формул, должно быть:

.

При проведении измерений отрезки коаксиальных линий 1 и 2 могут быть также включены как оконечные нагрузки линий связи, которыми служат при этом отрезки длинных линий 13 и 14, в частности коаксиальных кабелей (фиг.2). Такое подключение может быть целесообразно при необходимости дистанционного расположения электронных блоков относительно контролируемого объекта. В данном случае информативными параметрами измерительных каналов могут служить резонансные частоты этих отрезков длинных линий 13 и 14, определяемые в электронных блоках 8 и 9. Величину измеряемого параметра определяют после совместной функциональной обработки выходных сигналов блоков 8 и 9 в блоке 10.

Таким образом, данное устройство позволяет с высокой точностью измерять физические свойства различных жидкостей. Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности изменений температуры, имеющих разное значение (градиент) в контролируемой области.

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.). В частности, оно может быть применено в пищевой промышленности для измерения концентрации водо-спиртовых растворов. Устройство для измерения физических свойств жидкости согласно изобретению содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. При этом отрезки коаксиальной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной линии. В данном устройстве линией связи каждого измерительных канала может являться отрезок длинной линии, а чувствительный элемент являться его оконечной нагрузкой. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для измерения физических свойств жидкости, содержащее два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, отличающееся тем, что отрезки коаксиальной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной линии.

2. Устройство для измерения физических свойств жидкости по п.1, отличающееся тем, что линией связи каждого измерительных канала является отрезок длинной линии, а чувствительный элемент является его оконечной нагрузкой.