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.).
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 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 эталонными каналами, в которых чувствительные элементы содержат жидкости с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М: Физматгиз. 1963. Стр. 258-268).
Известно техническое решение (RU 2285913 С1, 20.10.2006), которое содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа ТЕМ и заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительных канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) измерительного и эталонного каналов содержат, соответственно, контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов - коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных, зависящих от температуры, изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).
Известно также техническое решение (RU 2424508 С1, 20.07.2011), которое содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Данное устройство характеризуется сложностью его реализации, обусловленной необходимостью применения двух независимых измерительных каналов. В каждом из них необходимо наличие чувствительного элемента, генератора электромагнитных колебаний и приемного устройства для определения величины информативного параметра. Кроме того, необходимо наличие блока для функциональной обработки выходных сигналов этих (измерительного и опорного) каналов. Необходимость в данных элементах двухканального измерительного устройства существенно усложняет его реализацию. Кроме того, это устройство характеризуется и невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений схемных параметров, нестабильности указанных элементов измерительных схем (двух генераторов, приемных устройств). Это приводит к снижению точности измерения.
Известно также техническое решение (RU 2473889 С1, 27.01.2013), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит один измерительный канал с двумя оконечными, рабочим и эталонным, чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде торцевых участков волноводного резонатора, в частности, отрезка коаксиальной длинной линии. Чувствительные элементы заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью.
Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что измерительный и эталонный чувствительные элементы (торцевые участки отрезка коаксиальной длинной линии) содержат, соответственно, контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов - коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных, зависящих от температуры, изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно сильно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
2
1
1
2
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем волноводный резонатор в виде отрезка коаксиальной длинной линии с двумя, рабочим и эталонным, чувствительными элементами в виде участков этого отрезка коаксиальной длинной линии, заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, к отрезку коаксиальной длинной линии подсоединен электронный блок, к выходу которого подключен регистратор, отрезок коаксиальной длинной линии установлен вертикально, электронный блок подсоединен к его верхнему концу, а отрезок коаксиальной длинной линии выполнен в виде совокупности двух участков, один из которых образован центральным металлическим стержнем и внутренней поверхностью соосного с ним внутреннего металлического цилиндра, а другой - внешней поверхностью внутреннего металлического цилиндра и внешним металлическим цилиндром, причем внешний металлический цилиндр закрыт с обоих торцов верхней и нижней металлическими плоскостями, а центральный металлический стержень разомкнут на верхнем конце и замкнут накоротко на его нижнем конце с нижней металлической плоскостью, внутренний металлический цилиндр замкнут накоротко на его верхнем конце с верхней металлической плоскостью и имеет снизу длину, меньшую длины центрального металлического стержня и длины внешнего металлического цилиндра, на нижней части волноводного резонатора, у нижнего конца внутреннего металлического цилиндра размещена горизонтально диэлектрическая пластина, герметично разделяющая пространство выше нее между центральным металлическим стержнем и внутренней поверхностью внутреннего металлического цилиндра и пространство выше нее между внешней поверхностью внутреннего металлического цилиндра и внешним металлическим цилиндром, одно из которых заполнено, по меньшей мере частично, контролируемой жидкостью, а другое, до того же уровня, - эталонной жидкостью, при этом в первом и втором участках отрезка коаксиальной длинной линии имеет одинаковое значение величина а/а, где а и a - диаметры, соответственно, внутреннего и внешнего проводников каждого из двух участков отрезка коаксиальной длинной линии.
Устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства.
На фиг. 2 приведена эквивалентная схема устройства.
Устройство содержит участки отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2, центральный металлический стержень 3, внутренний металлический цилиндр 4, внешний металлический цилиндр 5, верхнюю металлическую плоскость 6, нижнюю металлическую плоскость 7, диэлектрическую пластину 8, электронный блок 9, регистратор 10.
Устройство работает следующим образом.
На фиг. 1 показан волноводный резонатор в виде отрезка коаксиальной длинной линии с двумя, рабочим и эталонным, чувствительными элементами в виде участков отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2. Один из его участков содержит внутри полости между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии контролируемую диэлектрическую жидкость, физические свойства которой подлежат измерению, а другой - эталонную диэлектрическую жидкость, т.е. жидкость с номинальным значением измеряемого физического свойства контролируемой диэлектрической жидкости. Данный отрезок коаксиальной длинной линии установлен вертикально. Обе жидкости или полностью заполняют полость соответствующих участков отрезка коаксиальной длинной линии, или частично, до одинакового уровня в обоих участках. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе.
При отличии измеряемого физического свойства контролируемой диэлектрической жидкости от его эталонного значения в отрезке коаксиальной длинной линии, являющегося резонатором, происходит изменение картины распределения поля стоячей волны с соответствующим изменением значений указанных информативных параметров. Информативным параметром данного устройства (резонатора) может служить резонансная частота ƒ электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с.). При заполнении контролируемой жидкостью пространства между проводниками одного из участков отрезка коаксиальной длинной линии, в котором пространство между проводниками его другого участка заполнено эталонной жидкостью, изменяется величина измеряемого информативного параметра, в зависимости от электрофизических параметров контролируемой жидкости - ее диэлектрической проницаемости ε или (и) тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (проводимости а), функционально связанных с измеряемым параметром (физическим свойством жидкости). Значения резонансной частоты ƒ находящейся обычно в пределах 1÷100 МГц, определяются размерами одинаковых участков отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 и электрофизическими параметрами контролируемой и эталонной жидкостей.
Один участок отрезка коаксиальной длинной линии 1 образован центральным металлическим стержнем 3 и внутренней поверхностью соосного с ним внутреннего металлического цилиндра 4. Другой участок отрезка коаксиальной длинной линии 2 образован внешней поверхностью внутреннего металлического цилиндра 4 и внешним металлическим цилиндром 5, причем внешний металлический цилиндр 5 закрыт на верхнем его торце верхней металлической плоскостью 6, а на нижнем торце - нижней металлической плоскостью 7. Центральный металлический стержень 3 разомкнут на верхнем конце и замкнут накоротко на его нижнем конце с нижней металлической плоскостью 7, внутренний металлический цилиндр 4 имеет снизу длину, меньшую длины центрального металлического стержня 3 и длины внешнего металлического цилиндра 5, на нижней части волноводного резонатора, у нижнего конца внутреннего металлического цилиндра 4 размещена горизонтально диэлектрическая пластина 8, герметично разделяющая пространство выше нее между центральным металлическим стержнем 3 и внутренней поверхностью внутреннего металлического цилиндра 4 и пространство выше нее между внешней поверхностью внутреннего металлического цилиндра 4 и внешним металлическим цилиндром 5. Одно из этих пространств между проводниками заполнено, по меньшей мере частично, контролируемой жидкостью, а другое, до того же уровня заполнения, - эталонной жидкостью.
1
2
а
2
1
1
2
-12
Отрезок коаксиальной длинной линии может быть выполнен однородным, имеющим идентичные рассматриваемые участки, т.е. с одинаковым значением погонной (т.е. на единицу длины) электрической емкости С между проводниками каждого из участков полого отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2, т.е. в отсутствие какой-либо жидкости между его проводниками. Электрическая емкость С полого отрезка коаксиальной длинной линии выражается следующей формулой:  где а и а - диаметры внутреннего проводника и внешнего проводника отрезка коаксиальной длинной линии, ε=8,854⋅10 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды (вакуума) между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии. Из рассмотрения данной формулы следует, что, если в первом и втором участках отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 имеется одинаковое значение величина а/а, где а и а - диаметры, соответственно, внутреннего и внешнего проводников каждого из двух участков отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2, то и значения их электрической емкости С является одинаковым.
Рассматриваемый отрезок коаксиальной длинной линии является U-образным, состоящим из двух участков одинаковой длины; его общая длина равна сумме равных значений длины каждого из этих участков отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2. На фиг. 2 приведена эквивалентная схема данного устройства с этим отрезком коаксиальной длинной линии, где участки отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 расположены вдоль одной линии. Один из участков отрезка коаксиальной длинной линии заполнен полностью контролируемой диэлектрической жидкостью, физические свойства которой подлежат измерению, а другой - эталонной диэлектрической жидкостью. Между ними расположена диэлектрическая пластина с длиной, равной удвоенной толщине диэлектрической пластины 8.
К отрезку коаксиальной длинной линии подсоединен электронный блок 9 для возбуждения в данном отрезке коаксиальной длинной линии электромагнитных колебаний и измерения одного из его информативных параметров. Данный электронный блок 9, изображенный здесь схематично в виде одного блока, может представлять собой совокупность отдельных элементов и блоков для возбуждения в отрезке коаксиальной длинной линии электромагнитных колебаний, их съема и измерения информативного параметра (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. М.: Высшая школа. 1970. 440 с.). К выходу электронного блока 9 подключен регистратор 10, фиксирующий текущее значение измеряемого физического свойства контролируемой жидкости. В электронном блоке 9 производится измерение основной резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка коаксиальной длинной линии. Он, в частности, может быть включен в частотозадающую цепь автогенератора, которым в данном случае является электронный блок 9, и определяет частоту автогенератора. Значение этой частоты соответствует текущему значению измеряемого физического свойства контролируемой жидкости.
Участки отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 могут быть идентичными, имея одинаковые значения погонной (т.е. на единицу длины линии) электрической емкости в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей. Такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной участков отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 и выбором соотношения диаметров центрального металлического стержня 3, внутреннего металлического цилиндра 4, внешнего металлического цилиндра 5. Такой выбор может быть сделан, зная погонные значения электрической емкости участков отрезка коаксиальных линий 1 и 2.
Поскольку участки отрезка коаксиальной длинной линии 1 и 2 пространственно-совмещены, то они находятся в одинаковых внешних условиях, в частности, при одной и той же температуре. Следовательно, результат измерения в электронном блоке 9 не зависит от температуры, а только от величины измеряемого физического свойства контролируемой жидкости. При этом возможно с высокой точностью измерять его малые изменения (доли процента). По сравнению с устройством-прототипом, в рассмотренном выше устройстве имеется, во-первых, соосное расположение каждого из двух участков отрезка коаксиальной длинной линии и их образование совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального металлического стержня 3; во-вторых, использование внутренней поверхности внутреннего металлического цилиндра 4 в качестве наружного проводника участка отрезка коаксиальной длинной линии 1, а его наружной поверхности - в качестве внутреннего проводника другого участка отрезка коаксиальной длинной линии 2.
Таким образом, данное устройство обеспечивает возможность измерения физических свойств контролируемой диэлектрической жидкости при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.), в которых находятся контролируемая жидкость и эталонная жидкость. Следовательно, результат измерения не зависит от температуры, а только от измеряемого физического свойства контролируемой жидкости. Данное устройство позволяет с высокой точностью измерять физические свойства различных жидкостей. Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности, изменений температуры, имеющих разное значение в контролируемой области.