УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
FLUID PHYSICAL PROPERTIES METRE

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 коптильных препаратов, водо-спиртовых растворов и др.
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, амплитуда информативных сигналов мала для надежной регистрации.
Известно также техническое решение (патент РФ №2285913, МПК G01N 22/00, G01R 27/26), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит располагаемый в контролируемой жидкости чувствительный элемент и представляет собой отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него и параллельно ему внутреннего проводника U-образной формы, подключенных к электронному блоку для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты.
Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная необходимостью расположения электронного блока непосредственно вблизи чувствительного элемента и контролируемого объекта: в качестве электронного блока применяется автогенератор, в частотозадающую цепь которого подключен рассматриваемый отрезок длинной линии. Частота автогенератора, зависящая функционально от резонансной частоты отрезка длинной линии, служит информативным параметром. На практике же существует много задач, связанных с необходимостью расположения электронного блока на значительном расстоянии (несколько метров и более) от контролируемого объекта. Схема автогенератора с рассматриваемым чувствительным элементом не позволяет это сделать.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем размещаемый в контролируемой жидкости отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него параллельно ему внутреннего проводника U-образной формы, подключенный к нему генератор для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и блок измерения резонансной частоты отрезка длинной линии, достигается тем, что генератор, который является генератором частотно-модулированных колебаний, подсоединен к первому из концов отрезка длинной линии, являющегося полуволновым, через первый высокочастотный трансформатор, блок измерения резонансной частоты подсоединен ко второму концу отрезка длинной линии через второй высокочастотный трансформатор.
Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение генератора в виде генератора частотно-модулированных колебаний; во-вторых, наличие первого и второго высокочастотных трансформаторов; в-третьих, подсоединение генератора частотно-модулированных колебаний к одному из концов отрезка длинной линии через первый высокочастотный трансформатор, а блока измерения его резонансной частоты - к другому концу отрезка длинной линии через второй высокочастотный трансформатор; в-четвертых, выполнение отрезка длинной линии полуволновым.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность проведения измерений при удалении электронного блока от контролируемого объекта и уменьшение влияния на погрешность измерения параметров кабелей, связывающих генератор и блок для измерения резонансной частоты с соответствующими индуктивностями связи.
Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
На чертеже изображена функциональная схема устройства. Здесь введены обозначения: 1 - контролируемая жидкость, 2 - внутренний проводник отрезка длинной линии, 3 - наружный проводник отрезка длинной линии, 4 - нагрузочные индуктивности, 5 - индуктивности связи, 6 и 7 - высокочастотные трансформаторы, 8 - генератор частотно-модулированных колебаний, 9 - блок измерения резонансной частоты.
Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии размещается в емкости с контролируемой жидкостью 1; он может быть также заполнен этой жидкостью для проведения измерений. Такой чувствительный элемент содержит внутренний проводник 2, имеющий U-образную форму, и наружный проводник (металлический экран) 3. Внутренний проводник 2 может быть покрыт диэлектрической оболочкой. Каждый из концов данного отрезка длинной линии подключен к соответствующей нагрузочной индуктивности 4. Эти нагрузочные индуктивности 4 вместе с соответствующими индуктивностями связи 5 образуют высокочастотные трансформаторы 6 и 7, которые работают на частотах ~1 МГц и более высоких частотах. К одной из индуктивностей связи 5 подключен генератор частотно-модулированных колебаний 8, с помощью которого в данном отрезке длинной линии - полуволновом резонаторе - возбуждают электромагнитные колебания (обычно в мегагерцовом диапазоне частот электромагнитных волн) на основной резонансной частоте. К другой индуктивности связи 5 связи подключен блок измерения резонансной частоты 9.
Величина индуктивной связи между первичной (индуктивностью связи 5) и вторичной (нагрузочной индуктивностью 4) обмотками каждого из высокочастотных трансформаторов 6 и 7 выбирается из условий обеспечения большого значения нагрузочной (т.е. при подключении внешних элементов к отрезку длинной линии) добротности резонатора (отрезка длинной линии) и достаточно большого значения амплитуды сигнала на выходе данного резонатора, т.е. на входе блока измерения резонансной частоты 9. В частности, при измерении физических свойств жидкости, являющейся диэлектриком с большими диэлектрическими потерями, собственная (т.е. в отсутствие внешних элементов) добротность резонатора (отрезка длинной линии) имеет малую величину (~10÷20). В этом случае основной задачей является обеспечение достаточно большого значения амплитуды выходного сигнала, поступающего в блок измерения резонансной частоты 9. Поэтому в данном случае требуется обеспечить достаточно сильную индуктивную связь между обмотками каждого трансформатора. Это достигается расположением обмотки индуктивности связи 5 каждого из трансформаторов 6 и 7 в непосредственной близости от обмотки соответствующей нагрузочной индуктивности 4 (например, одна из этих обмоток располагается поверх другой обмотки).
При совпадении частоты частотно-модулированных колебаний и резонансной частоты полуволнового резонатора амплитуда этих электромагнитных колебаний достигает максимума. Этот максимум фиксируется в блоке измерения резонансной частоты 9 и в нем происходит преобразование измеряемой частоты в какой-либо из электрических сигналов (напряжение, ток) или цифровой код. При расположении полуволнового отрезка длинной линии в контролируемой жидкости 1 его резонансная частота изменяется. Поскольку эта резонансная частота функционально зависит от электрофизических параметров контролируемой жидкости 1, в частности от диэлектрической проницаемости, которая, в свою очередь, зависит от физических свойств этой жидкости (концентрации смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.), то по ее значению определяют соответствующее значение измеряемого физического свойства жидкости.
p
В общем случае чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии можно представить в виде эквивалентного LC-контура с сосредоточенными параметрами, резонансная частота которого ω определяется по формуле
p
p
Измеряемый физический параметр чаще всего воздействует на электрическую емкость C данного эквивалентного LC-контура, в результате чего эта емкость изменяется на величину ΔC, а резонансная частота - на величину Δω. Дифференцируя функцию (1) по C, можно получить приближенную формулу, связывающую величины Δω и ΔC
p
Величина Δω/ω определяет частотное перекрытие датчика, т.е. относительное изменение информативного параметра (резонансной частоты) от относительного изменения измеряемого параметра.
p
п
p
п
н
вх
н
Следует заметить, что емкость C состоит из рабочей емкости C и паразитной емкости С. Паразитную емкость составляют емкости различных элементов конструкции датчика, не участвующие в преобразовании "измеряемый параметр → С → ω", например емкости проходных изоляторов, фиксаторов и линий связи. Очевидно, что максимальную чувствительность и минимальную погрешность измерения можно получить только при максимально возможном значении ΔC/(2C). Поэтому необходимо стремиться к уменьшению влияния паразитной емкости С на величину частотного перекрытия (2). В частности, уменьшения влияния емкости линий связи можно добиться при подключении их к точкам резонатора, в которых величина электрического поля минимальная. В полуволновом резонаторе такими точками являются короткозамкнутые концы этого резонатора или концы резонатора, нагруженные на индуктивность L. В этом случае входное сопротивление Z отрезка длинной линии, имеющего длину l и нагруженного на противоположном конце на индуктивность L, можно определить из следующего выражения (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1980. Стр. 42-50):
ф
ф
0
н
где W - волновое сопротивление длинной линии; β=ω/ν - коэффициент фазы; ω - угловая частота; ν - фазовая скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; x - эквивалентное удлинение отрезка длинной линии, нагруженного на индуктивность L, которое выражается следующей формулой:
0
p
0
н
п
p
п
Из формулы (3) видно, что при λ/4≤l+x≤λ/2 входное сопротивление отрезка длинной линии приобретает емкостный характер, при этом эквивалентная электрическая емкость C→∞ при l+x→λ/2. Поэтому всегда можно выбрать такие значения длины l отрезка длинной линии или индуктивности L, при которых С<<C, и тем самым обеспечить требуемое минимальное влияние С на частотное перекрытие (3) и, следовательно, на точность измерения физической величины во всем диапазоне ее изменения.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает расширение области применения, позволяя производить измерения физических свойств жидкости при значительном удалении электронного блока от контролируемого объекта и при минимальном влиянии кабелей связи на точность измерения.