СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ Российский патент 2022 года по МПК G01N22/00 G01N22/04 

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

Известны различные способы и устройства для измерения 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. 403 с. С. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Недостатком таких способов и реализующих эти способы 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 независимыми измерительным и эталонным каналами. В эталонном канале чувствительный элемент содержит жидкость с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. 403 с. С. 258 -268).

Известен также способ измерения физической величины (RU 2473889 С1, 27.01.2013), в частности физических свойств жидкости, заключающийся в возбуждении электромагнитных волн в волноводном резонаторе, размещении контролируемого объекта в волновом поле одного из торцевых участков волноводного резонатора и определении одной из характеристик стоячей электромагнитной волны в нем, размещении в волновом поле другого торцевого участка идентичного объекта с эталонным значением измеряемой физической величины. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная организацией волноводного резонатора на основе волновода при создании условий для отражения волн от торцов волновода, и определении одной из характеристик стоячей волны в таком волноводном резонаторе. Способ становится неработоспособным при отсутствии возможности образования стоячей волны в волноводе.

Известно также техническое решение (RU 2626409 С1, 27.07.2017), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу измерение физических свойств жидкости производят при возбуждении электромагнитных волн в волноводе, размещении контролируемой жидкости в электромагнитном поле волновода с одного из его торцевых участков и идентичной жидкости с эталонным значением измеряемых физических свойств жидкости в электромагнитном поле волновода с его другого торцевого участка, возбуждении в волноводе электромагнитные волны фиксированной частоты на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные сигналы на другом торце волновода и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, по которой судят о физических свойствах жидкости. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная существенным уменьшением значения амплитуды напряженности электрического поля, измеряемой на другом торце волновода. Это может вызвать затруднения при контроле диэлектрических жидкостей с относительно высоким значением диэлектрической проницаемости, а также больших габаритах волноводных измерительных ячеек.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения физических свойств жидкости, заключающемся в возбуждении в волноводе электромагнитных волн фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты волновода, размещении контролируемой жидкости в полости волновода в пределах одной половины его длины и идентичной эталонной жидкости с эталонным значением измеряемых физических свойств жидкости в полости волновода в пределах другой половины его длины, возбуждение электромагнитных волн осуществляют в центральной части волновода, имеющего идентичные части его полости относительно точки возбуждения электромагнитных волн, с идентичным размещением в них соответствующих им контролируемой и эталонной жидкостей, принимают электромагнитные сигналы на торцах волновода после их распространения вдоль соответствующих участков волновода, измеряют значения амплитуды напряженности электрического поля на каждом из торцов волновода и судят о физических свойствах жидкости по соотношению измеренных значений амплитуды.

Предлагаемый способ поясняется чертежами. На фиг. 1 и фиг. 2 приведены схемы устройств для реализации способа измерения.

На чертежах показаны волновод 1, эталонная жидкость 2, контролируемая жидкость 3, диэлектрическая пластина 4, генератор 5, элементы связи 6, 7 и 8, детекторы 9 и 10, функциональный преобразователь 11, регистратор 12.

Способ реализуется следующим образом.

Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для электромагнитных волн низшего типа, при этом вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента.

Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ>ƒ_кр, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒ_кр для волны низшего типа, например, для волны Н₁₁ в круглом волноводе. При ƒ<ƒ_кр имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:

а постоянная ослабления α есть

В этих формулах E_m - амплитуда напряженности электрического поля при z=0; ω=2πƒ, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества в волноводе, с -скорость света.

Выбирая соотношение между ƒ и ƒ_кр, можно управлять величиной ослабления α.

Поскольку существует зависимость ослабления электрического поля в волноводе от диэлектрической проницаемости жидкости в нем (формула (2)), то датчик физических свойств жидкости может быть построен на отрезке рассматриваемого волновода. Возбуждение электромагнитных волн в волноводе осуществляется с помощью генератора через элемент связи (возбуждения). Другой элемент связи (приема) электромагнитных сигналов расположен на расстоянии l вдоль этого волновода. Принимаемые электромагнитные сигналы поступают на детектор, подсоединенный к регистратору.

Если частота ƒ генератора меньше критической частоты ƒ_кр данного волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема есть

где Е₀ - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе (т.е. в области расположения элемента связи (возбуждения). Для волн типа Н₁₁ имеем где d - внутренний диаметр волновода.

Например, при d=50 мм, l=100 мм, ƒ=3,3 ГГц для волн типа Н₁₁ будем иметь ƒ_кр=3,6 ГГц, k - 0,3012 1/см. Следовательно, информативный параметр Е(ε) имеет величину Так, в диапазоне изменения е в пределах 1,8÷2,0 (нефть и нефтепродукты) относительное изменение Е(ε)/Е₀ составляет 14,5%, что является достаточно большой величиной. Длина l измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.

Данный способ измерения физических свойств жидкости заключается в возбуждении в волноводе электромагнитных волн фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты волновода, размещении контролируемой жидкости в полости волновода в пределах одной половины его длины и идентичной эталонной жидкости с эталонным значением измеряемых физических свойств жидкости в полости волновода в пределах другой половины его длины.

В рассматриваемом волноводе возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты ƒ в центральной части волновода. При этом частоту ƒ возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты ƒ_кр волновода. Волновод имеет его идентичные части полости относительно точки возбуждения электромагнитных волн. В этих частях полости волновода идентично размещают в них соответствующих им контролируемую и эталонную жидкости. Электромагнитные сигналы принимают на торцах волновода после их распространения вдоль соответствующих участков волновода. Измеряют значения амплитуды напряженности электрического поля на каждом из торцов волновода и судят о физических свойствах жидкости по соотношению измеренных значений амплитуды.

Для волноводов конкретных размеров выбором частоты ƒ генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика физических свойств жидкости в рабочем диапазоне их изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра - амплитуды Е(ε) напряженности электрического поля - от значения е, функционально связанного с измеряемым физическим свойством жидкости.

Согласно данному способу измерения, контролируемую и эталонную жидкости размещают идентично в соответствующих им идентичных частях полости волновода. При этом возможна различная степень заполнения каждой из частей волновода: 1) заполнение каждой жидкостью (контролируемой и эталонной жидкостями) половины длины волновода; при этом волновод полностью заполнен этими двумя жидкостями, образующими границу раздела (фиг. 1); 2) идентичное заполнение каждой жидкостью только части длины соответствующей половины волновода, например, торцевой части каждой половины длины волновода (фиг. 2) или части, прилегающей к середине длины волновода; 3) возможно также идентичное расположение каждой жидкости в некоторой части соответствующей половины длины волновода, не примыкающей к ее концам.

На фиг. 1 показано применение данного способа для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью ε, где в левой половине волновода 1 размещена эталонная жидкость 2 с диэлектрической проницаемостью ε₀ -жидкость с эталонным значением х₀ измеряемой величины х (и ε=ε₀), а идентичная правая половина волновода 1 заполнена контролируемой жидкостью 3 - той же жидкостью с текущим значением измеряемого физического свойства х (и, соответственно, значением ε). В волноводе 1 эталонная жидкость 2 и контролируемая жидкость 3 на границе их раздела отделены друг от друга тонкой диэлектрической пластиной 4, не препятствующей распространению электромагнитных волн.

Согласно предлагаемому способу, в волноводе 1 с эталонной жидкостью 2 и контролируемой жидкостью 3 возбуждают в центральной части волновода электромагнитные волны фиксированной частоты ƒ Эталонная жидкость 2 и контролируемая жидкость 3 размещены идентично в соответствующих идентичных, относительно точки возбуждения электромагнитных волн, частях полости волновода. Возбуждение электромагнитных волн осуществляют с помощью генератора 5 на частоте ƒ меньшей критической частоты ƒ_кр для этого волновода, через элемент связи 6 (фиг. 1). Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи 6, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). Электромагнитные сигналы принимают на торцах волновода после их распространения вдоль соответствующих участков волновода. При этом значение Е зависит от физических свойств как эталонной, так и контролируемой жидкостей в соответствующей части полости волновода 1. Принимаемый у обоих торцов волновода 1 сигналы поступают через элементы связи 7 и 8, соответственно, на детекторы 9 и 10, с выходов которых сигналы поступают на соответствующие входы функционального преобразователя 11, где осуществляется определение соотношения (в частности, разности) значений амплитуды принимаемых сигналов. Сигнал с выхода функционального блока 11 поступает на регистратор 12 для определения значения измеряемого физического свойства жидкости по соотношению измеренных значений амплитуды.

На фиг. 2 показано применение данного способа для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью е, где в торцевой части 12 волновода 1 в виде ячейки, ограниченной с одной стороны левым торцом волновода, а с другой стороны - диэлектрической пластиной 4, размещена эталонная жидкость 2 с диэлектрической проницаемостью ε₀ - жидкость с эталонным значением х₀ измеряемой величины х (и ε=ε₀), а другая идентичная торцевая часть волновода 1 в виде ячейки, ограниченной с одной стороны правым торцом волновода, а с другой стороны - другой диэлектрической пластиной 4, заполнена контролируемой жидкостью 3 - той же жидкостью с текущим значением измеряемого физического свойства х (и, соответственно, значением ε).

При отличии измеряемого физического свойства х жидкости от его эталонного значения хо в волноводе происходит изменение амплитуды ослабевающего реактивного электромагнитного поля, убывающего при удалении от возбуждающего элемента, причем уменьшение амплитуды этого реактивного электромагнитного поля соответствует функциональной зависимости (3). При этом амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема зависит от условий распространения убывающего реактивного электромагнитного поля как в части, заполненной эталонной жидкостью, так и в части, заполненной контролируемой жидкостью. Изменение х относительно его эталонного значения х₀ приводит к изменению амплитуды убывающего реактивного электромагнитного поля. Она изменяется относительно исходного экстремального (максимального или минимального) значения, имеющего место при х=х₀ в зависимости от величины х.

Для схемы на фиг. 1 имеем значение Е₁ амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения в эталонной жидкости 2:

где в данном случае l - длина половины волновода, Е₁ - значение амплитуды Е после распространения вдоль половины длины волновода, заполненной эталонной жидкостью 2.

Здесь

Значение Е₂ амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения в контролируемой жидкости 3:

где в данном случае l - длина половины волновода, Е₂ - значение амплитуды Е после распространения вдоль половины длины волновода, заполненной контролируемой жидкостью 3. Здесь

Для схемы на фиг. 2 имеем значение Е₁ амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения вдоль половины длины волновода с эталонной жидкостью 2 в его левой торцевой части:

где - значение постоянной ослабления а в части длины волновода, не заполненной как эталонной, так и контролируемой жидкостью (т.е. в полой части волновода, где ε=1); l₁ - длина части волновода, заполненная эталонной жидкостью (в другой половине волновода идентичная часть ее длины с контролируемой жидкостью 3 также равна l₁).

Значение Е₂ амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения вдоль половины длины волновода с контролируемой жидкостью 3 в его правой торцевой части:

Для схем на фиг. 1 и на фиг. 2 сигнал на выходе функционального преобразователя 11, соответствующий соотношению (в частности, разности) значений Е₂ и Е₁ амплитуды принимаемых сигналов, содержит полезную информацию об измеряемой величине ε и, следовательно, о текущем значении измеряемого физического свойства х(ε). При этом эти значения Е₁ и Е₂ амплитуды реактивного электромагнитного поля определяют после распространения в соответствующей половине длины волновода с эталонной и контролируемой жидкостями.

Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять различных физических свойств диэлектрических жидкостей как с малыми, так и с большими значениями диэлектрической проницаемости, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) различных размеров.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к волноводному резонатору, в котором проводят определение физических свойств диэлектрической жидкости. Расширение функциональных возможностей способа измерения при сохранении точности измерений является техническим результатом, который достигается за счет того, что возбуждение электромагнитных волн осуществляют в центральной части волновода, имеющего идентичные части его полости относительно точки возбуждения электромагнитных волн, с идентичным размещением в них соответствующих контролируемой и эталонной жидкостей, принимают электромагнитные сигналы на торцах волновода после их распространения вдоль соответствующих участков волновода, измеряют значения амплитуды напряженности электромагнитного поля на каждом из торцов волновода и по разности значений Е₂-E₁ принимаемых сигналов, где Е₂ - значение амплитуды для контролируемой жидкости, E₁ - значение амплитуды для эталонной жидкости, определяют диэлектрическую проницаемость исследуемой жидкости. 2 ил.

Способ измерения диэлектрической проницаемой жидкости, заключающийся в возбуждении в волноводе электромагнитных волн фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты волновода, размещении контролируемой жидкости в полости волновода в пределах одной половины его длины и идентичной эталонной жидкости с эталонным значением диэлектрической проницаемости жидкости в полости волновода в пределах другой половины его длины, отличающийся тем, что возбуждение электромагнитных волн осуществляют в центральной части волновода, имеющего идентичные части его полости относительно точки возбуждения электромагнитных волн, с идентичным размещением в них соответствующих контролируемой и эталонной жидкостей, принимают электромагнитные сигналы на торцах волновода после их распространения вдоль соответствующих участков волновода, измеряют значения амплитуды напряженности электромагнитного поля на каждом из торцов волновода и по разности значений Е₂-E₁ принимаемых сигналов, где Е₂ - значение амплитуды для контролируемой жидкости, E₁ - значение амплитуды для эталонной жидкости, определяют диэлектрическую проницаемость исследуемой жидкости.