Способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков
METHOD OF DETERMINING PERCENTAGE OF WATER IN A DIELECTRIC-WATER MIXTURE USING DIFFERENT DIELECTRICS

Изобретение относится к области электрических измерений неэлектрических величин и может быть использовано для контроля содержания воды в жидких смесях типа диэлектрик-вода, например жидких углеводородах (нефть, масло, мазут и т.п.) или во влажных смесях (цементно-песочная смесь и т.п.).
Известны различные способы контроля содержания воды в диэлектрических материалах, таких как жидкие углеводороды, например: оптические, массово-весовые и ультразвуковые (см., например, Туричин A.M. Электрические измерения неэлектрических величин / A.M. Туричин, Б.Э. Аршанский, И.А. Зограф и др. / Под общей ред. П.В. Новицкого. - М.- Л.: Энергия, 1966. - 690 с). Но физические свойства диэлектриков могут быть сопоставимы с физическими свойствами воды. По этой причине определить процентное содержание воды в смеси оказывается достаточно проблематично.
Микроволновые методы измерений являются более прогрессивными. При этом различают принципиально два способа определения процентного содержания воды в смеси вода-диэлектрик. Один из них основан на поглощении микроволновых колебаний собственно водными включениями (см., например, Викторов В.А. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов / В.А. Викторов, Б.В. Лункин, А.С. Совлуков. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - 208 с). Однако данные методы измерений могут давать неадекватные показания, поскольку сам диэлектрик также может поглощать микроволновые колебания. Кроме того, при таком подходе необходимо предпринимать меры по стабилизации амплитуды исходных микроволновых колебаний и обеспечивать долговременную стабильность измерителя прошедшей мощности микроволновых колебаний. Наличие токопроводящих примесей помимо собственно воды в контролируемом материале, например, золы, солей и т.п., дает дополнительную составляющую погрешности определения процентного содержания воды в смеси.
В отличие от перечисленных выше, микроволновые фазометрические способы контроля процентного содержания воды в смеси вода-диэлектрик дают более адекватные результаты. В самом деле, относительная диэлектрическая проницаемость большинства диэлектриков лежит в пределах 3...4 (для подавляющего большинства жидких углеводородов - порядка 4). Диэлектрическая проницаемость воды составляет величину порядка 80 (зависит от рабочей частоты анализатора). Поэтому, пропуская микроволновые колебания через смесь вода-диэлектрик, можно судить о процентном содержании воды в смеси, измеряя набег фазы микроволновых колебаний.
D
Наиболее близкими по технической сути к предполагаемому изобретению является Способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при изменении содержания воды в смеси в широких пределах (Патент РФ №2594338, оп. в Бюл. №22 от 10.08.2016, G01N 22/00, G01F 13/00). По этому способу генерируют непрерывные микроволновые колебания с некоторой частотой /|, излучают эти колебания с помощью первой микроволновой антенны в направлении второй микроволновой антенны через контролируемый слой смеси диэлектрик-вода, процентное содержание воды в которой контролируют, принимают микроволновые колебания, содержащих информацию о диэлектрических свойствах контролируемого вещества в виде набега фазы микроволновых колебаний kd (где к=2π/λ
0
mix
1
2
1
- волновое число,  - длина волны микроволновых колебаний в среде распространения, λ - длина волны в вакууме, ε - интегральная диэлектрическая проницаемость смеси диэлектрик-вода, d - толщина контролируемого слоя), при этом принятые второй микроволновой антенной микроволновые колебания подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя, на вход управления которого подают сигнал с частотой F с выхода генератора низкочастотных колебаний, при этом в управляемом фазовращателе осуществляют сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой ƒ на величину F, при этом трансформированные по частоте микроволновые колебания с частотой ƒ=ƒ+F подают на один вход микроволнового смесителя, на другой вход которого подают часть энергии исходного микроволнового сигнала, в результате чего эти микроволновые колебания перемножают и осуществляют гомодинное преобразование частоты, при этом полученный на выходе микроволнового смесителя низкочастотный сигнал с частотой F ограничивают по амплитуде и подают на первый вход фазового детектора, на второй вход которого подают низкочастотный опорный сигнал с частотой F с выхода того же генератора низкочастотных колебаний, и на выходе фазового детектора получают сигнал, пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, прошедшего через смесь диэлектрик-вода, при этом низкочастотный сигнал с выхода микроволнового смесителя дополнительно выпрямляют, причем этот выпрямленный сигнал оцифровывают с получением малого числа разрядов двоичного кода, определяющим грубо уровень процентного содержания воды в смеси, после чего полученный двоичный код с малым числом разрядов подают на первый вход решающего устройства, например, микроконтроллера, при этом сигнал с выхода фазового детектора оцифровывают с получением большого числа разрядов двоичного кода, определяющим точно набег фазы микроволновых колебаний в пределах одного фазового цикла, после чего полученный двоичный код с большим числом разрядов подают на второй вход решающего устройства, после чего в решающем устройстве по полученному ранее цифровому коду с малым числом разрядов определяют число фазовых циклов набега фазы, который получил микроволновый сигнал, проходя через смесь диэлектрик-вода, после чего полученное число фазовых циклов, представленное в виде двоичного кода, добавляют в качестве старших дополнительных разрядов к полученному ранее двоичному коду с большим числом разрядов и получают двоичный код с увеличенным числом разрядов, определяющий точно набег фазы микроволнового сигнала в пределах нескольких фазовых циклов, после чего по полученному цифровому коду с увеличенным числом разрядов определяют точное и однозначное значение процентного содержание воды в смеси диэлектрик-вода при изменении содержания воды в смеси в широких пределах.
mix
wal
diel
diel
mix
Однако, описанный способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при изменении содержания воды в смеси в широких пределах, имеет один существенный недостаток. Величина 2kd зависит от интегральной диэлектрической проницаемости контролируемой смеси ε и от толщины слоя d этой смеси при фиксированной частоте микроволновых колебаний. При этом, при фиксированном и неизменяемом значении толщины слоя d набег фазы 2kd может изменяться в определенных пределах в двух случаях: либо при изменении процентного содержания воды (с известной диэлектрической проницаемостью ε=80) в смеси, либо при изменении электрофизических свойств самого диэлектрика, продукта (изменении его диэлектрической проницаемости ε), например при смене типа контролируемого диэлектрика (сырая нефть, мазут, масло и т.д.). Значение диэлектрической проницаемости контролируемого продукта при изменении его типа может изменяться в неко-торых пределах (ε=3…4). При этом, изменения типа контролируемого продукта приводитк изменению интегральной диэлектрической проницаемости смеси ε, что может быть интерпретировано измерителем как изменение процентного содержания воды в смеси. При этом возникает неоднозначность определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода.
В основу изобретения поставлена задача повышения точности проводимых измерений и устранения неоднозначности определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков.
1
1
2
1
Данная задача решается следующим образом. Способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков, характеризующийся тем, что первоначально генерируют непрерывные микроволновые колебания с частотой ƒ, которые через первую микроволновую антенну излучают в направлении второй микроволновой антенны, при этом микроволновые колебания пропускают через слой смеси диэлектрик-вода, процентное содержание воды в которой контролируют, при этом принятые второй микроволновой антенной микроволновые колебания подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя, на вход управления которого подают сигнал с частотой F с выхода генератора низкочастотных колебаний, при этом в управляемом фазовращателе осуществляют сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой ƒ, на величину F, при этом трансформированные по частоте микроволновые колебания с частотой ƒ=ƒ+F подают на один вход микроволнового смесителя, на другой вход которого подают часть энергии исходного микроволнового сигнала, в результате чего эти микроволновые колебания перемножают и осуществляют гомодинное преобразование частоты, при этом полученный на выходе микроволнового смесителя низкочастотный сигнал с частотой F ограничивают по амплитуде и подают на первый вход фазового детектора, на второй вход которого подают низкочастотный опорный сигнал с частотой F с выхода того же генератора низко-частотных колебаний, и на выходе фазового детектора получают сигнал, пропорциональный набегу фазы микроволнового сигнала, прошедшего через смесь диэлектрик-вода, при этом по этому сигналу определяют процентное содержание воды в смеси диэлектрик-вода с высокой точностью, определяемой фазовым методом получения измерительной информации, при этом низкочастотный сигнал с выхода микроволнового смесителя дополнительно выпрямляют и оценивают грубо его уровень, при этом полагают, что уровень выпрямленного сигнала зависит исключительно от процентного содержания воды в смеси, которая определяет степень поглощения микроволнового сигнала, и не зависит от электрофизических свойств контролируемого диэлектрика, который микроволновый сигнал не поглощает, при этом по этому выпрямленному сигналу определяют процентное содержание воды в смеси диэлектрик-вода с низкой точностью, определяемой амплитудным методом получения измерительной информации, при этом сравнивают данные о процентном содержании воды в смеси диэлектрик-вода, полученные фазовым и амплитудным методами на уровне точности амплитудного метода и при расхождении результатов определения содержания воды этими методами, выбирают из памяти вычислительного устройства одну из серии калибровочных кривых фазового метода, которая дает наименьшее расхождение результатов определения содержания воды в смеси диэлектрик-вода амплитудным и фазовым методами, при этом серию калибровочных кривых фазового метода определяют и запоминают в памяти вычислительного устройства заранее для различных электрофизических свойств диэлектриков, для контроля содержания воды в смеси с которыми предполагается использовать данный способ, при этом автоматически, помимо определения содержания воды в смеси диэлектрик-вода, дополнительно получают данные об электрофизических свойствах диэлектрика, который присутствует в смеси, при условии, что эти электрофизические свойства диэлектрика заранее неизвестны.
Сравнение предполагаемого способа с уже известными способами и прототипом показывает, что заявляемый способ выявляет новые технические свойства, которые заключаются в возможности определить точное и однозначное значение процентного содержание воды в смеси диэлектрик-вода при изменении электрофизических свойств используемого диэлектрика, притом, что электрофизические свойства используемого диэлектрика могут быть заранее неизвестны. Эти свойства предполагаемого изобретения особенно важны, если учесть тот факт, что достаточно часто приходится контролировать содержание воды в смеси с диэлектриком, электрофизические свойства которого априори неизвестны.
Эти свойства предполагаемого изобретения являются новыми, потому что в способе-прототипе в силу присущих ему недостатков, заключающихся определении процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода только для одного предопределенного типа диэлектрика с определенными электрофизическими свойствами, определить однозначно процентное содержание воды в смеси с диэлектриком с произвольными электрофизическими свойствами не представляется возможным, поскольку эти свойства могут быть заранее неизвестными. При этом изменения электрофизических свойств диэлектрика будут интерпретированы измерителем как изменение содержания воды в смеси диэлектрик-вода, что в ряде случаев является недопустимым.
По предлагаемому способу определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при изменении электрофизических свойств диэлектрика определенно возникают расхождения в результатах определения содержания воды амплитудным и фазовым метода-ми. При этом данные расхождения сводят к минимуму выбором из памяти вычислительного устройства соответствующей калибровочной кривой, характеризующей электрофизические свойства того или иного диэлектрика. При этом, определение процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода определяют фазовым методом с высокой точностью, а амплитудный метод определения содержания воды в смеси диэлектрик-вода используют исключительно для сопоставления результатов определения содержания воды в смеси амплитудным и фазовым методами, и результаты этого сопоставления используют исключительно для выбора требуемой калибровочной кривой, хранящейся в памяти вычислительного устройства и отражающей электрофизические свойства того или иного диэлектрика.
Указанный Способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков можно реализовать с помощью устройства, показанного на Фиг. 1.
Устройство для определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков содержит генератор микроволновых колебаний 1, микроволновый направленный ответвитель 2, генератор низкочастотных колебаний 3, излучающую микроволновую антенну 4, микроволновый смеситель 5, усилитель-ограничитель 6, линейный детектор 7, фазовый детектор 8, первый аналого-цифровой преобразователь 9, второй аналого-цифровой преобразователь 10, вычислительное устройство 11, приемную микроволновую антенну 12, управляемый микроволновый фазовращатель 13.
Выход генератора микроволновых колебаний 1 соединен с входом микроволнового направленного ответвителя 2, первый выход которого соединен с входом излучающей микроволновой антенны 4, а второй выход микроволнового направленного ответвителя 2 соединен с первым входом микроволнового смесителя 5, при этом выход микроволновый смесителя 5 соединен с входом усилителя-ограничителя бис входом линейного детектора 7, при этом выход усилителя-ограничителя 6 соединен с первым входом фазового детектора 8, второй вход которого соединен с выходом генератора низкочастотных колебаний 3, при этом выход линейного детектора 7 соединен с входом первого аналого-цифрового преобразователя 9, выход которого соединен с первым входом вычислительного устройства 11, а выход фазового детектора 8 соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 10, выход которого соединен со вторым входом вычислительного устройства 11, при этом выход приемной микроволновой антенны 12 соединен с сигнальным входом управляемого микроволнового фазовращателя 13, при этом выход генератора низкочастотных колебаний 3 соединен с управ-ляющим входом управляемого микроволнового фазовращателя 13, выход которого соединен со вторым входом микроволнового смесителя 5.
Работает устройство, реализующее способ определения процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода при использовании различных диэлектриков, следующим образом.
1
1
1
Микроволновые колебания с амплитудой U, частотой ƒ и начальной фазой ϕ, описываемые следующим выражением
1
1
1
1
u (t)=U cos (2πƒt+ϕ),
с выхода генератора микроволновых колебаний 1 подают на вход микроволнового направленного ответвителя 2. Ослабленный микроволновый сигнал с первого выхода направленного ответвителя 2 подают на вход излучающей микроволновой антенны 4, которая первично излучает эти микроволновые колебания через слой контролируемой смеси в направлении приемной микроволновой антенны 12. При этом микроволновый сигнал приобретает набег фазы равный
Таким образом, принятые микроволновые колебания имеют следующий вид:
2
1
1
1
u(t)=UK cos (2πƒ+ϕ,+Δϕ).
1
2
1
2
где K=KK - обобщенный амплитудный фактор, K - коэффициент ослабления направленного ответвителя по первому выходу, K - коэффициент ослабления микроволновых ко-
лебаний в толщине слоя контролируемой смеси с учетом коэффициента усиления микровол-новых антенн.
1
Далее принятые микроволновые колебания подают на сигнальный вход управляемого микроволнового фазовращателя 13, на управляющий вход которого подают сигнал генератора низкочастотных колебаний 3. В управляемом микроволновом фазовращателе 13 в микроволновые колебания с частотой ƒ, вносится периодический монотонно нарастающий от 0 до 2π фазовый сдвиг, с периодом равным Т=1/F. При этом можно говорить о сдвиге спектра микроволновых колебаний на так называемую частоту Доплера F=1/Т.
1
2
1
Таким образом, осуществляется сдвиг частоты микроволнового сигнала с частотой ƒ, на величину равную частоте F. Трансформированный по частоте микроволновый сигнал, с частотой ƒ=ƒ+F имеет следующий вид
3
1
1
1
2
u(t)=UKcos [2π(ƒ+F)t+ϕ+Δϕ+ϕ],
2
где ϕ - начальная фаза низкочастотных колебаний.
1
Этот микроволновый сигнал подают на второй вход микроволнового смесителя 5, на первый вход которого подают ослабленные исходные микроволновые колебания с частотой ƒ. В микроволновом смесителе осуществляют перемножение микроволновых колебаний или гомодинное преобразование частоты. Преобразованный по частоте низкочастотный сиг-нал описывается следующим выражением
4
1
Σ
2
u(t)=UK cos(2πFt+Δϕ+ϕ),
Σ
3
3
где K=KK - суммарный амплитудный фактор, K - коэффициент преобразования смесителя с учетом ослабления микроволнового сигнала по второму выходу направленного ответвителя 2.
Этот сигнал ограничивают по амплитуде в усилителе-ограничителе 6 и подают на первый вход фазового детектора 8, на второй вход которого подают сигнал с выхода генератора низкочастотных колебаний вида
5
2
2
u(t)=Ucos(2πFt+ϕ).
PD
Таким образом, на выходе фазового детектора 8 получают напряжение постоянного тока, пропорциональное с коэффициентом K набегу фазы микроволнового сигнала, при его прохождении через слой контролируемой смеси
PD
u=KΔϕ.
Это напряжение, пропорциональное разности фаз, подают на второй аналого-цифровой преобразователь 10 и получают цифровой код, отображающий точное значение разности фаз в пределах одного фазового цикла. Число разрядов двоичного кода выбирают максимально возможным. Этот код вводят в вычислительное устройство 11 через его второй вход и по калибровочной кривой, полученной ранее по результатам калибровки измерителя, определяют точное значение содержания воды в нефтепродукте. Причем для различных диэлектриков, с различными электрофизическими свойствами строят различные калибровочные кривые, каждую из которых запоминают в памяти вычислительного устройства в процессе калибровки измерителя. Причем калибровочную кривую выбирают ту, которая использовалась в измерениях ранее и, если измерения проводятся впервые, используют, например, первую запомненную в памяти вычислительного устройства кривую.
2
Параллельно низкочастотный сигнал с выхода микроволнового смесителя 5 выпрямляют линейным детектором 7 и на его выходе получают напряжение постоянного тока, пропорциональное коэффициенту ослабления микроволновых колебаний в толщине слоя контролируемой смеси K. Это напряжение подают на вход первого аналого-цифрового преобразова-
wat
diel
теля 9, где его оцифровывают и вводят также в вычислительное устройство 11 через его пер-вый вход. Процесс преобразования служит не для точного измерения величины ослабления микроволнового сигнала в толще контролируемой смеси (не для точного определения содержания воды в смеси диэлектрик-вода), а для грубой оценки процентного содержания воды в смеси диэлектрик-вода. Чем больше воды в смеси, тем больше затухание микроволнового сигнала. Число получаемых разрядов невелико. Результаты этого преобразования сравнивают в вычислительном устройстве в пределах такого же количества разрядов двоичного кода с результатами точного определения содержания воды в смеси диэлектрик-вода, полученного фазовым методом. Если эти результаты не совпадают, то это означает, что выбран диэлектрик не с теми электрофизическими свойствами, который реально присутствует в смеси. При этом отклонение диэлектрической проницаемости диэлектрика, выбранного по калибровочной кривой, от ее реального значения, присутствующего в смеси диэлектрика, интерпретируется измерителем как изменение уровня содержания воды в смеси, что не соответствует в первом приближении уровню содержания воды, полученному амплитудным методом. По результатам сопоставления для данного уровня содержания воды в смеси, полученного амплитудным методом в первом приближении, достаточно грубо, выбирают из памяти вычислительного устройства кривую, для которой наблюдается наиболее близкое соответствие текущих показаний второго аналого-цифрового преобразователя 10 текущему уровню содержания воды в смеси диэлектрик-вода, полученному амплитудным методом, и отражающему состояние цифрового кода, полученного на выходе первого аналого-цифрового преобразователя. Надо понимать, что расхождения в показаниях амплитудного и фазового метода определения содержания во-ды в смеси будут наблюдаться только для малых уровней содержания воды, когда вклад воды с большой величиной диэлектрической проницаемостью (ε=80) в интегральную диэлек-трическую проницаемость смеси с диэлектриком с диэлектрической проницаемостью ε=3-4 достаточно мал. По мере повышения уровня содержания воды в смеси разница в электрофизических свойствах диэлектриков будет нивелироваться.
Народнохозяйственный эффект от использования предполагаемого изобретения связан с созданием измерительного устройства, которая дает возможность анализировать свойства среды распространения микроволн по результатам измерений набега фазы микроволновых колебаний, обладающей повышенной точностью и однозначностью определения процентного го содержания воды в смеси диэлектрик-вода. Преимущество данного способа измерения, по сравнению с прототипом, заключается в достижении повышенной точности измерения процентного содержания воды в смеси. Дополнительное преимущество данного способа измерения заключается в том, что измерение производится однозначно при использовании раз-личных диэлектриков с различными электрофизическими свойствами.
Другой аспект повышения эффективности применения предполагаемого изобретения связан с возможностью его использования в составе аналитическо-измерительных комплексов непрерывного контроля параметров смеси диэлектрик-вода при автоматизации технологических процессов.