СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF LIQUID

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств (плотности, концентрации смесей, влагосодержания и др.) различных диэлектрических жидкостей, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.).
Известны различные способы и устройства для измерения 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, 403 с., с. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989, 208 с., с. 168-177). Недостатком таких способов и реализующих эти способы 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 независимыми измерительным и эталонным каналами. В эталонном канале чувствительный элемент содержит жидкость с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963, 403 с., с. 258-268).
Известно также техническое решение (RU 2285913 C1, 20.10.2006), которое содержит описание способа, согласно которому производят измерения физических свойств жидкостей с применением двух независимых измерительных каналов, рабочего и эталонного, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа TEM и заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Для реализации данного способа применяют линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительного канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора. Недостатком данного способа является сложность его реализации, обусловленная 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 двухканальных измерительных устройств для реализации этого способа существенно усложняет его реализацию. Кроме того, этот способ 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 C1, 27.01.2013), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу измерение физической величины, в частности физических свойств жидкости, производят при возбуждении волн в волноводном резонаторе, размещении контролируемого объекта в волновом поле одного из торцевых участков волноводного резонатора и определении одной из характеристик стоячей волны в нем, размещении в волновом поле другого торцевого участка идентичного объекта с эталонным значением измеряемой физической величины. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная организацией волноводного резонатора на основе волновода при создании условий для отражения волн от торцов волновода и определении одной из характеристик стоячей волны в таком волноводном резонаторе. Способ становится неработоспособным при отсутствии возможности образования стоячей волны в волноводе.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения.
Технический результат в предлагаемом способе измерения физических свойств жидкости, заключающемся в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, размещении контролируемой жидкости в электромагнитном поле волновода с одного из его торцевых участков и идентичной жидкости с эталонным значением измеряемых физических свойств жидкости в электромагнитном поле волновода с его другого торцевого участка, достигается тем, что в волноводе возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты на одном из его торцов, при этом частоту возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, по которой судят о физических свойствах жидкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением способа.
На фиг. 2 приведен график зависимости относительного значения амплитуды напряженности электрического поля от диэлектрической проницаемости жидкости.
На фиг. 3, 4, 5 и 6 приведены примеры устройств для реализации способа измерения.
На чертежах показаны волновод 1, генератор 2, элементы связи 3 и 4, детектор 5, регистратор 6, первая половина волновода 7, эталонная жидкость 8, вторая половина волновода 9, контролируемая жидкость 10, диэлектрическая пластина 11, торцевые части 12 и 13.
Способ реализуется следующим образом.
Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе на частоте, которая ниже критической частоты для волны низшего типа, при этом вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости.
11
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства:  которому должны удовлетворять рабочая частота  и критическая частота  для волны низшего типа, например, для волны H в круглом волноводе. При  имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента. При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабления α есть
m
В этих формулах E - амплитуда напряженности электрического поля при z=0;  ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества в волноводе, c - скорость света.
Выбирая соотношение между  и  можно управлять величиной ослабления α.
Поскольку существует зависимость ослабления электрического поля в волноводе от диэлектрической проницаемости жидкости в нем (формула (2)), то датчик физических свойств жидкости может быть построен на отрезке рассматриваемого волновода. На фиг. 1 изображен волновод 1. Возбуждение электромагнитных волн в волноводе осуществляется с помощью генератора 2 через элемент связи 3. Другой элемент связи (приема) 4 электромагнитных волн расположен на расстоянии  вдоль волновода 1. Принимаемые волны поступают на детектор 5, подсоединенный к регистратору 6.
Если частота  генератора меньше критической частоты  данного волновода, то амплитуда напряженности E электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема есть
0
11
где ,  E - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе (т.е. в области расположения связи 3). Для волн типа H имеем , где d - внутренний диаметр волновода.
11
0
0
Например, при d=50 мм,  для волн типа H будем иметь  k=0,3012 1/см. Следовательно, информативный параметр E(ε) имеет величину . На фиг. 2 приведен график зависимости E(ε)/E от ε в диапазоне изменения ε в пределах 1,8÷2,0 (нефть и нефтепродукты). При этом относительное изменение E(ε)/E составляет 14,5%, что является достаточно большой величиной.
Длина  измерительного участка, частота  генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.
Данный способ измерения физических свойств жидкости заключается в возбуждении электромагнитных волн в указанном волноводе, размещении контролируемой жидкости в электромагнитном поле одного из торцевых участков этого волновода и идентичной жидкости с эталонным значением измеряемых физических свойств жидкости в электромагнитном поле его другого торцевого участка. В рассматриваемом волноводе возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты  на одном из торцов волновода. При этом частоту  возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты  волновода. Электромагнитные волны принимают после их распространения вдоль данного волновода на другом его торце и измеряют амплитуду напряженности электрического поля, по которой судят о физических свойств жидкости.
Для волноводов конкретных размеров выбором частоты  генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика физических свойств жидкости в рабочем диапазоне их изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра - амплитуды E(ε) напряженности электрического поля - от значения ε, функционально связанного с измеряемым физическим свойством жидкости.
Согласно данному способу измерения, контролируемую и эталонную жидкости располагают в волноводе с разных его торцов идентично. При этом возможна различная степень заполнения каждой из частей волновода: 1) заполнение каждой жидкостью (контролируемой и эталонной жидкостями) половины длины волновода; при этом волновод полностью заполнен этими двумя жидкостями, образующими границу раздела (фиг. 3); 2) идентичное заполнение каждой жидкостью только части длины соответствующей половины волновода, например, торцевой части каждой половины длины волновода (фиг. 4) или части, прилегающей к середине длины волновода (фиг. 5); 3) возможно также идентичное расположение каждой жидкости в некоторой части соответствующей половины длины волновода, не примыкающей к ее концам (фиг. 6).
0
0
0
На фиг. 3 показано применение данного способа для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью е, где в первой половине 7 волновода 1 размещена эталонная жидкость 8 с диэлектрической проницаемостью ε - жидкость с эталонным значением x измеряемой величины x (и ε=ε), а идентичная вторая половина 9 волновода 1 заполнена контролируемой жидкостью 10 - той же жидкостью с текущим значением измеряемого физического свойства x (и, соответственно, значением ε). В волноводе 1 эталонная жидкость 8 и контролируемая жидкость 10 на границе их раздела отделены друг от друга тонкой диэлектрической пластиной 11, не препятствующей распространению электромагнитной волны.
Согласно предлагаемому способу, в волноводе 1 с эталонной жидкостью 8 и контролируемой жидкостью 10 возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора 2 электромагнитные волны на частоте  меньшей критической частоты  для этого волновода (фиг. 3). Напряженность электрического поля E при удалении от элемента связи 3, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение E зависит от физических свойств как эталонной, так и контролируемой жидкостей в волноводе 1. У другого торца волновода 1 принимаемый сигнал поступает через элемент связи 4 на детектор 5. Затем продетектированный сигнал поступает на регистратор 6 для определения амплитуды E сигнала, служащей информативным параметром.
0
0
0
На фиг. 4 показано применение данного способа для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью ε, где в торцевой части 12 волновода 1 в виде ячейки, ограниченной с одной стороны первым торцом волновода, а с другой стороны - диэлектрической пластиной 11, размещена эталонная жидкость 8 с диэлектрической проницаемостью ε - жидкость с эталонным значением x измеряемой величины x (и ε=ε), а другая идентичная торцевая часть 13 волновода 1 - в виде ячейки, ограниченной с одной стороны вторым торцом волновода, а с другой стороны - диэлектрической пластиной 11, заполнена контролируемой жидкостью 10 - той же жидкостью с текущим значением измеряемого физического свойства x (и, соответственно, значением ε).
0
При отличии измеряемого физического свойства x жидкости от его эталонного значения x в волноводе происходит изменение амплитуды ослабевающего реактивного электромагнитного поля, убывающего при удалении от возбуждающего элемента, причем уменьшение амплитуды этого реактивного электромагнитного поля соответствует функциональной зависимости (3). При этом амплитуда напряженности E электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема зависит от условий распространения убывающего реактивного электромагнитного поля как в части, заполненной эталонной жидкостью, так и в части, заполненной контролируемой жидкостью.
0
0
Изменение x относительно его эталонного значения x приводит к изменению амплитуды убывающего реактивного электромагнитного поля. Она изменяется относительно исходного экстремального (максимального или минимального) значения, имеющего место при x=x в зависимости от величины x.
1
Для схемы на фиг. 3 имеем значение E амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения в эталонной жидкости:
1
где в данном случае  - длина половины волновода, E - значение амплитуды E после прохождения электромагнитной волной половины длины волновода, заполненной эталонной жидкостью.
После дальнейшего прохождения электромагнитной волной другой половины длины волновода, заполненной теперь уже контролируемой жидкостью, в точке приема (т.е. после прохождения электромагнитной волной всей длины  волновода) будем иметь:
где
0
0
0
0
0
При ε=ε из формулы (5) следует, что  При ε>ε будем иметь E(ε)<E(ε), и зависимость E(ε) имеет при этом монотонно убывающий характер. Соответственно, при ε<ε будем иметь E(ε)>E(ε); зависимость E(ε) имеет при этом монотонно возрастающий характер.
2
Для схемы на фиг. 4 имеем значение E амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения в половине длины волновода с эталонной жидкостью в его торцевой части:
где  - значение постоянной ослабления α в части длины волновода, не заполненной как эталонной, так и контролируемой жидкостью (т.е. в полой части волновода, где ε=1);  - длина части волновода, заполненная эталонной жидкостью (в другой половине волновода идентичная часть ее длины с контролируемой жидкостью также равна ).
После последующего прохождения электромагнитной волной другой половины длины волновода, заполненной теперь уже частично в торцевой области контролируемой жидкостью, сначала вдоль полого волновода, а затем вдоль части длины  волновода с контролируемой жидкостью, в точке приема (т.е. после прохождения электромагнитной волной всей длины  волновода) будем иметь
0
0
0
0
0
При ε=ε из формулы (7) следует, что  Как и для схемы на фиг. 1, в данном случае также при ε>ε будем иметь E(ε)<E(ε), и зависимость E(ε) имеет при этом монотонно убывающий характер, а при ε<ε будем иметь E(ε)>E(ε), и зависимость E(ε) имеет при этом монотонно возрастающий характер.
Аналогичный характер имеет зависимость E(ε) для схем на фиг. 5 и 6. На фиг. 5 одна часть длины волновода 1, прилегающая к середине длины волновода 1, содержит ячейку, ограниченную с каждой стороны соответствующей диэлектрической пластиной 11 и заполненную эталонной жидкостью 8. Другая идентичная часть длины волновода 1, прилегающая к середине волновода 1 с другой ее стороны, содержит ячейку с контролируемой жидкостью 10. При этом данная ячейка со стороны, прилегающей к середине длины волновода 1, ограничена той же диэлектрической пластиной 11, что и у ячейки с эталонной жидкостью 8, а с другой стороны - еще одной диэлектрической пластиной 11. На фиг. 6 показано идентичное расположение каждой жидкости в пределах соответствующей ячейки, ограниченной с каждой стороны диэлектрической пластиной 11, в некоторой части соответствующей половины длины волновода 1, не примыкающей к ее концам.
Реализацию данного способа можно осуществлять и при другом расположении эталонной и контролируемой жидкостей в волноводе: сначала электромагнитная волна распространяется вдоль половины волновода с контролируемой жидкостью, а затем вдоль половины волновода с эталонной жидкостью (при их полном или идентичном частичном заполнении соответствующей части волновода).
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью измерять различные физические свойства диэлектрических жидкостей. Для проведения измерений не требуется организации волноводного резонатора с образованием стоячей волны в волноводе, а достаточно только возбуждения в волноводе электромагнитных волн на фиксированной частоте.