УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
APPARATUS FOR MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF LIQUIDS

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 для измерения концентрации водоспиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности.
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 (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). В частности, известно устройство, которое содержит измерительную ячейку в виде отрезка коаксиальной длинной линии, являющийся резонатором с колебаниями основного типа ТЕМ (Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. Стр. 125-133). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная достаточно большими габаритами датчиков. Это не позволяет осуществлять локальные измерения интересующих свойств жидкости, содержащейся в какой-либо технологической емкости, а дает информацию об их интегральных значениях.
Известно также техническое решение (патент РФ №2275620, 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 измерительную ячейку в виде отрезка коаксиальной длинной линии, которая выполнена в виде совокупности центрального металлического стержня, и по меньшей мере двух соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов. Данное устройство является резонатором и позволяет проводить локальные измерения физических свойств жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками.
Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью определять локальные значения физических свойств жидкости, являющейся несовершенным диэлектриком или проводником. Это обусловлено низкой добротностью резонатора в виде рассматриваемого отрезка длинной линии вследствие существенного затухания электромагнитных волн в жидкости.
Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем подсоединенный посредством линий связи и элементов связи к электронному блоку отрезок длинной линии в виде совокупности участков, образуемых центральным металлическим стержнем и, по меньшей мере, двумя соосными с ним и вложенными один в другой металлическими цилиндрами, поочередно короткозамкнутыми и разомкнутыми на одном из их концов, причем внешний металлический цилиндр закрыт с обоих торцов первой и второй металлическими плоскостями, а центральный металлический стержень, замкнутый накоротко на одном из концов с первой металлической плоскостью или разомкнутый, имеет длину, равную длине внешнего металлического цилиндра, и его другой конец соединен накоротко со второй металлической плоскостью, обеспечивается тем, что поверхность центрального металлического стержня и наружная поверхность каждого из соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров покрыта по всей длине соответствующей диэлектрической оболочкой. Участки отрезка длинной линии могут иметь одинаковое волновое сопротивление. При этом в каждой паре (k-1, k; k=2, 3, …, n) соседних проводников произведение отношения диэлектрической проницаемости материала оболочки к диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и частного от деления логарифма отношения диаметра внешнего проводника отрезка длинной линии к диаметру оболочки на логарифм отношения диаметра оболочки к диаметру внутреннего проводника не превышает 0,22. При контроле водосодержащих смесей произведение диэлектрической проницаемости материала оболочки и частного от деления логарифма отношения диаметра внешнего проводника отрезка длинной линии к диаметру оболочки на логарифм отношения диаметра оболочки к диаметру внутреннего проводника не превышает 17,8.
Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются, во-первых, покрытие поверхности центрального металлического стержня и наружной поверхности каждого из соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров по всей длине соответствующей диэлектрической оболочкой; во-вторых, выполнение участков отрезка длинной линии с одинаковым волновым сопротивлением; в-третьих, для такого отрезка длинной линии в каждой паре (k-1, k; k=2, 3, …, n) соседних проводников произведение отношения диэлектрической проницаемости материала оболочки к диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости и частного от деления логарифма отношения диаметра внешнего проводника отрезка длинной линии к диаметру оболочки на логарифм отношения диаметра оболочки к диаметру внутреннего проводника не превышает 0,22; в-четвертых, при этом при контроле водосодержащих смесей произведение диэлектрической проницаемости материала оболочки и частного от деления логарифма отношения диаметра внешнего проводника отрезка длинной линии к диаметру оболочки на логарифм отношения диаметра оболочки к диаметру внутреннего проводника не превышает 17,8.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: обеспечение возможности измерений физических свойств жидкости с произвольными электрофизическими параметрами.
Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
1
2
k
n
1
2
k
n
На фиг.1 и 2 показаны схемы предлагаемого устройства с применением, соответственно, четвертьволнового и полуволнового отрезков длинной линии. Здесь введены обозначения: 1 - центральный металлический стержень, 1, … 1, …, 1 - металлические цилиндры, 2, 2, … 2, …, 2 - диэлектрические оболочки, 3 - электронный блок, 4 и 5 - линии связи, 6 и 7 - элементы связи.
Устройство работает следующим образом. В отрезке длинной линии - резонаторе резонансные частоты и распределение электромагнитного поля стоячей волны возбуждаемых электромагнитных колебаний зависят, в частности, от нагрузочных сопротивлений на их концах. При погружении такого отрезка линии в контролируемую жидкость, при котором она заполняет и пространство между проводниками отрезка линии, изменяется резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка линии, служащая информативным параметром для определения тех или иных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.). Эти свойства, в свою очередь, функционально зависят от электрофизических параметров жидкости, в частности от ее диэлектрической проницаемости. Габариты (длину) отрезка длинной линии, служащего датчиком устройства для измерения каких-либо свойств жидкости, существенно уменьшены путем придания его конструкции компактной зигзагообразной формы.
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). Наличие такого диэлектрического покрытия приводит к перераспределению электромагнитной энергии, запасаемой в областях, занятых средой с весьма малыми диэлектрическими потерями (т.е. оболочкой) и средой с большими потерями (жидкостью). Как следствие, повышается добротность Q резонатора, которая для всех возможных на практике случаев может быть обеспечена достаточно высокой. Для измерения резонансной частоты должно выполняться неравенство Q≥10. Добиться выполнения этого неравенства можно путем выбора толщины диэлектрической оболочки. Ее величина в пределах нескольких миллиметров является достаточной для практических измерений концентрации бинарных смесей с произвольными электрофизическими параметрами, содержащих полярные диэлектрики. Это относится, в частности, к контролю водно-спиртовых смесей. Условие Q≥10 выполняется, если
n
1
n
2
где ε и ε - относительная диэлектрическая проницаемость, соответственно, жидкости и оболочки внутреннего проводника; d, d, d - диаметры, соответственно, внутреннего проводника, внутреннего проводника с оболочкой и внешнего проводника данного конденсатора (измерительной ячейки).
1
2
k
n
1
2
k
n
В данном случае в отрезке длинной линии для этой цели поверхность центрального металлического стержня 1 и наружная поверхность каждого из соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров 1, … 1, …, 1 покрыта соответствующей диэлектрической оболочкой 2, 2, … 2, …, 2 (фиг.1). Такая конструкция объясняется тем, что именно наружная поверхность k-1-го проводника в каждой паре (k-1, k; k=2, 3, …, n) соседних проводников служит внутренним проводником этого участка длинной линии.
i
i
Волновые (характеристические) сопротивления соответствующих участков такого отрезка линии зависят от диаметров металлических цилиндров. Все участки могут иметь одинаковое волновое сопротивление, что обеспечивается равенством погонных значений (т.е. на единицу длины линии) электрической емкости C (i=1, 2, …, n) для всех участков. При наличии диэлектрических оболочек величины характеристического сопротивления и электрической емкости C каждого участка зависят также и от толщины и диэлектрической проницаемости материала оболочек.
Погонная электрическая емкость C отрезка коаксиальной линии выражается следующим соотношением (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. Стр.125-131):
,
0
1
2
п
9
где ε=1/36π·10 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума; d, d, d - соответственно, внутренний диаметр внешнего проводника, наружный диаметр внутреннего проводника и наружный диаметр внутреннего цилиндра с диэлектрической оболочкой; ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки.
Следовательно, участки отрезка длинной линии имеют одинаковое волновое сопротивление при равенстве значений погонной емкости этих участков:
1
k
n
C=…C=…C.
Как следует из этих формул, данное равенство можно записать так:
.
Необходимое для измерения резонансной частоты неравенство Q≥10 выполняется при
в
Поскольку резонансная частота обычно не превышает 1 ГГц, то в этом случае диэлектрическая проницаемость ε воды равна 81. При контроле водосодержащих смесей вышеприведенное неравенство можно записать так:
Выбирая конструктивные параметры отрезка длинной линии согласно данному соотношению, можно при любом влагосодержании, вплоть до 100%, обеспечить выполнение неравенства Q≥10, то есть работоспособность устройства - возможность проведения резонаторных измерений.
На фиг.1 и 2 приведены конструкции измерительного устройства с применением, соответственно, четвертьволнового и полуволнового отрезков длинной линии. Здесь в отрезке длинной линии на одной из его резонансных частот с помощью электронного блока 3 возбуждаются электромагнитные колебания. В этом же блоке производятся определение резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии и регистрация соответствующего значения измеряемого физического свойства жидкости. Возбуждение в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний осуществляется с помощью линии связи 4 и элемента связи 6 и съем колебаний с помощью линии связи 5 и элемента связи 7.
1
2
k
n
2
k
n
Электромагнитные волны распространяются по отрезку зигзагообразной линии последовательно вдоль участков, образуемых центральным металлическим стержнем 1 и соосными с ним, вложенными один в другой, металлическими цилиндрами 1, … 1, …, 1 (фиг.1 и 2). Верхний и нижний торцы такой измерительной ячейки являются металлическими плоскостями. Металлические цилиндры 1, … 1, …, 1, как показано на фиг.1 и 2, поочередно короткозамкнуты и разомкнуты на одном из их концов, образуя, таким образом, зигзагообразную длинную линию. В четвертьволновом отрезке линии (фиг.1) элементы связи 6 и 7 в виде сосредоточенных электрических емкостей подсоединяются к верхнему концу металлического стержня (емкостная связь). В полуволновом отрезке линии (фиг.2) металлический стержень короткозамкнут на обоих концах, а элементы связи 6 и 7 выполнены в виде петель, подсоединяемых накоротко к верхнему торцу измерительной ячейки (индуктивная связь). При этом в каждой конструкции датчика обеспечивается возможность заполнения контролируемой жидкостью всего пространства между проводниками отрезка линии за счет выполнения малых отверстий в боковой и(или) торцевых поверхностях измерительной ячейки. Наличие таких отверстий практически не сказывается на электрических характеристиках датчика.
p
p
p
p
p
p
Данная конструкция отрезка длинной линии имеет длину, в n раз меньшую длины исходного отрезка линии. Так, если исходный четвертьволновый отрезок линии (фиг.1) имеет длину 1 м, то его основная резонансная (собственная) частота электромагнитных колебаний f=75 МГц. При наличии n=5 участков зигзагообразной линии длина такого отрезка линии становится равной 0,2 м при той же f. При n=1 для отрезка линии такой длины f=375 МГц, т.е. является достаточно высокой. В случае полуволнового отрезка длинной линии (фиг.2) с длиной 1 м f=150 МГц. За счет зигзагообразной формы отрезка линии его габариты (длина) также существенно уменьшаются (0,2 м в рассматриваемом примере) путем выбора числа изгибов исходного отрезка линии (т.е. числа металлических цилиндров в конструкции датчика). При n=1 в этом случае f=750 МГц, т.е. весьма высокая по сравнению с f датчика на основе зигзагообразной длинной линии.
Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется расширенной областью применения, позволяя проводить измерения физических свойств жидкостей с большими диэлектрическими потерями. Данное устройство целесообразно, в частности, применять для определения концентрации смесей (растворов), по меньшей мере, один из компонент которых является несовершенным диэлектриком.