УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СМЕСИ ВЕЩЕСТВ
DEVICE TO DETECT CONCENTRATION OF MIXTURE OF SUBSTANCES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации бинарных смесей различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.
Известны устройства для определения концентрации бинарных смесей различных жидкостей, в частности влагосодержания (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.168-177). Эти устройства содержат радиоволновые (ВЧ и СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах такие устройства содержат проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде металлических поляризационных решеток, отражающих пластин, запредельных волноводов (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.173-174).  Недостатком таких концентратомеров является невысокая точность измерения при изменении сортности контролируемых веществ, в частности базового вещества в смеси (эмульсии, растворе и др.).
Известно также техническое решение (SU 1497531, 30.07.1989), содержащее трубопровод с перекачиваемым веществом, два проточных объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Указанные резонаторы встроены в трубопровод на его измерительном участке последовательно. Устройство позволяет определять концентрацию (влагосодержание) вещества независимо от его сортности, являющейся функцией электрофизических параметров вещества.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это контролем разных областей перекачиваемой жидкости, находящихся одновременно в электромагнитном поле двух проточных резонаторов, что заведомо предопределяет снижение точности измерения при изменении сортности (и, следовательно, электрофизических параметров) жидкости.
Известно также техническое решение (RU 2152024, 27.06.2000), содержащее описание устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому концентратомеру и принятое в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит первый чувствительный элемент в виде проточного объемного резонатора, установленного на измерительном участке трубопровода с перекачиваемым веществом и подключенного через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подсоединен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору. Оно содержит также высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии со вторым чувствительным элементом в виде нагрузки на одном из его концов, размещенным на измерительном участке, и подключенный к его другому концу блок генерации ВЧ электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это тем, что чувствительный элемент в виде проточного СВЧ-резонатора обеспечивает получение информации об электрофизических параметрах жидкости, которая осреднена по объему этого резонатора. Этот объем может быть относительно большим: как диаметр резонатора, обусловленный значением диаметра трубопровода, так и его длина могут составлять несколько сантиметров. В то же время другой чувствительный элемент в виде ВЧ-резонатора на основе отрезка длинной линии позволяет получать данные о локальных, менее 1 см (вблизи оконечной нагрузки отрезка длинной линии), значениях электрофизических параметров жидкости. Это заведомо предопределяет снижение точности измерения при изменении сортности (и, следовательно, электрофизических параметров) жидкости. Поэтому даже совместная функциональная обработка информативных параметров этих двух чувствительных элементов не позволяет достичь требуемой инвариантности к электрофизическим параметрам базового вещества в контролируемой бинарной смеси жидкостей.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом устройстве для определения концентрации смеси веществ достигается тем, что оно содержит установленный на измерительном участке трубопровода волноводный резонатор, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подсоединенный выходом к индикатору, отрезок коаксиальной линии, подсоединенный к нему блок генерации высокочастотных электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка коаксиальной линии, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений, при этом волноводный резонатор выполнен в виде кольцевого волноводного резонатора, открытые торцы которого установлены в диаметральной плоскости трубопровода и направлены навстречу друг другу, отрезок коаксиальной линии расположен соосно кольцевому волноводному резонатору, причем его внутренним проводником служит наружная поверхность кольцевого волноводного резонатора, а торцы отрезка коаксиальной линии выполнены открытыми, каждый из которых контактирует с контролируемой смесью веществ и установлен в той же плоскости, что и соответствующий открытый торец кольцевого волноводного резонатора.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства.
Здесь введены обозначения: 1 - трубопровод с перекачиваемой жидкостью, 2 - кольцевой резонатор, 3 - отрезок длинной линии, 4 - внутренний проводник отрезка длинной линии, 5 - наружный проводник отрезка длинной линии, 6 и 6а - открытые торцы кольцевого резонатора, 7 и 7а - открытые торцы отрезка длинной линии, 8 - СВЧ-генератор, 9 и 10 - линии связи, 11 - блок регистрации частоты электромагнитных колебаний кольцевого резонатора, 12 - линия связи, 13 - блок генерации ВЧ электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, 14 - блок вычислений, 15 - индикатор.
Устройство работает следующим образом.
Элементы конструкции устройства расположены на измерительном участке трубопровода 1 (фиг.1). Устройство имеет два измерительных канала, один из которых, работающий в сверхвысокочастотном (СВЧ) диапазоне электромагнитных волн, имеет чувствительный элемент в виде кольцевого резонатора 2, а второй измерительный канал имеет чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 3.
Открытые торцы 6 и 6а кольцевого резонатора 2 установлены в диаметральной плоскости трубопровода 1 и направлены навстречу друг другу. Отрезок коаксиальной линии 3, имеющий внутренний проводник 4 и наружный проводник 5, расположен соосно волноводному кольцевому резонатору 2, причем его внутренним проводником 4 служит наружная поверхность волноводного кольцевого резонатора 2. Торцы 7 и 7а отрезка коаксиальной линии 3 выполнены открытыми, каждый из которых контактирует с контролируемой смесью веществ и установлен в той же плоскости, что и соответствующий открытый торец волноводного кольцевого резонатора 2.
Сверхвысокочастотный (СВЧ) кольцевой резонатор 2 (чувствительный элемент первого измерительного канала) выполнен в виде волновода с открытыми торцами 6 и 6а, расположенными в диаметральной плоскости трубопровода 1 на его измерительном участке и направленными внутрь трубопровода 1 навстречу друг другу. При этом в области, образуемой указанным волноводом и поперечным сечением трубопровода 1 между открытыми концами 6 и 6а, в котором находится контролируемая жидкость, имеет место стоячая электромагнитная волна. Она возбуждается в рассматриваемой кольцевой структуре, резонирующей последовательно одной из частот дискретной совокупности частот (спектра) в зависимости от частоты подключенного СВЧ-генератора 8. В этом кольцевом резонаторе с помощью СВЧ-генератора 8 (в диапазоне частот реально ~1-50 ГГц) возбуждают по линии связи 9 электромагнитные колебания. Определение второго информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний данного кольцевого резонатора производят по линии связи 10 с помощью блока регистрации частоты 11.
В ВЧ-измерительном преобразователе (втором измерительном канале), образованном отрезком длинной линии 3 с обоими открытыми торцами 7 и 7а, возбуждают электромагнитные колебания в ВЧ-диапазоне (~1-100 МГц). Для возбуждения электромагнитных колебаний в этом отрезке длинной линии и для определения одной из его колебательных характеристик, являющейся первым информативным параметром, по линии связи 12 служит блок 13.
вх
В качестве информативного параметра во втором (ВЧ) измерительном канале, реализуемом на основе отрезка длинной линии 3, могут быть использованы: резонансная частота f(K) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии; входной импеданс Z(K) отрезка длинной линии; фазовый сдвиг Δφ(К) падающих (от генератора к нагрузке) и отраженных (от нагрузки к регистратору) электромагнитных волн.
Данный (второй) измерительный канал характеризуется вдвое повышенной чувствительностью к измеряемой концентрации по сравнению с устройством-прототипом. Это достигается за счет одновременного восприятия полезной информации (концентрации) обоими торцевыми элементами 7 и 7а (а не лишь одним, как в устройстве-прототипе), в данном случае обоими открытыми торцами коаксиальной линии. Это приводит к удвоенному изменению значения используемого информативного параметра, в частности, основной резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии 3. В конечном счете, это также позволяет увеличить точность измерения концентрации смеси веществ.
Взаимное расположение открытых торцев 6 и 6а СВЧ кольцевого резонатора и открытых торцев 7 и 7а отрезка длинной линии 3 на измерительном участке трубопровода 1 показано на фиг.1. Здесь все эти элементы расположены в одном и том же диаметральном сечении измерительного участка.
Измеренные значения обоих информативных параметров поступают с соответствующих блоков 11 и 13 на первый и второй входы блока вычислений 14, соответственно. С его выхода сигнал, полученный в результате совместного преобразования выходных сигналов блоков 11 и 13, поступает на индикатор 15. Этот сигнал соответствует высокоточному значению концентрации бинарной смеси, не зависящему от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) базового вещества этой смеси, степень содержания в котором другого вещества, в частности содержания воды или иного обладающего частотной дисперсией вещества, подлежит определению.
в1
в2
в1
в2
В данном устройстве, как и в других устройствах (SU 1497531, 30.07.1989; RU 2152024, 27.06.2000), принципиальную роль играет наличие частотной дисперсии диэлектрической проницаемости в используемых для измерений частотных диапазонах у хотя бы одного из веществ в их смеси (эмульсии, растворе и др.). При этом другое вещество такой дисперсией может не обладать, что характерно для многих реальных веществ, в частности нефти и нефтепродуктов. Частотной дисперсией в СВЧ-диапазоне обладают, например, вода, спирты, другие полярные жидкости. Так, у воды диэлектрическая проницаемость на частотах менее 100 МГц имеет значение около 80, а на частотах СВЧ-диапазона она значительно ниже (например, ~65 при частотах ~10 ГГц). Контролируемое вещество характеризуется диэлектрической проницаемостью ε(ε, ε, К), где ε и ε - значения диэлектрической проницаемости веществ (обозначено «в1» «в2») в смеси, концентрация К смеси (эмульсии, раствора и др.) которых подлежит определению. Для проведения измерений необходимо знание аналитического выражения для ε для двух используемых ВЧ- и СВЧ-диапазонов частот; в отсутствие такой расчетной зависимости для каких-либо контролируемых веществ она устанавливается экспериментально с последующей ее аппроксимацией соответствующим аналитическим выражением. Расчетные соотношения для конкретных контролируемых веществ приведены в техническом решении (SU 1497531, 30.07.1989).
Осуществляя в блоке вычислений 14 совместное функциональное преобразование двух информативных параметров - резонансной частоты СВЧ кольцевого резонатора 2 и одной из колебательных характеристик отрезка длинной линии 3 - можно определить с высокой точностью значение концентрации K независимо от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) одного (базового из веществ в их смеси); это вещество может быть как неполярным диэлектриком, как это рассмотрено в прототипе, так и иметь иные электрофизические параметры. При этом решение составленной системы уравнений для зависимости ε от информативных параметров на двух рабочих частотах ВЧ- и СВЧ-диапазонов позволяет определить также и значение диэлектрической проницаемости самого базового вещества в смеси веществ и, следовательно, дать характеристику этому веществу, например определить его сортность.
Расположение обоих чувствительных элементов в одной и той же диаметральной плоскости измерительного участка трубопровода позволяет воспринимать информацию о концентрации бинарной смеси в одном и том же сечении трубопровода, что, тем самым, обеспечивает повышение точности измерений.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять концентрацию бинарной смеси (эмульсии, раствора и др.) с высокой точностью, независимо от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) базового вещества в смеси.