УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ В ЕМКОСТИ
MEASURING DEVICE OF PHYSICAL PROPERTIES OF LIQUID CONTAINED IN TANK

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 в пищевой промышленности для измерения концентрации водо-спиртовых растворов.
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. С.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. С.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 (Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. С.258-268).
Известно также техническое решение (RU 2285913, 20.10.2006). Это устройство 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 2426099, 10.08.2011), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два чувствительных элемента, с первым чувствительным элементом в виде первого резонатора - отрезка коаксиальной линии, между полым внутренним и наружным проводниками которого размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, со вторым чувствительным элементом в виде второго резонатора, являющегося полостью внутреннего проводника первого резонатора, при этом оба резонатора подключены через соответствующие элементы возбуждения и съема колебаний и линии связи этих резонаторов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, подсоединенного выходом к индикатору.
Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения локальных измерений физических свойств жидкостей, в частности концентрации смесей, с высокой точностью. Это особенно важно при контроле неоднородных смесей.
Обусловлено это тем, что электромагнитные волны в этих двух резонаторах - первом резонаторе в виде отрезка длинной линии и втором резонаторе, являющимся объемным резонатором, возбуждают, соответственно, в ВЧ (частоты в мегагерцовом диапазоне) и СВЧ (частоты в гигагерцовом диапазоне). При этом значения электрофизических свойств жидкостей в этих разных частотных диапазонах могут существенно различаться вследствие частотной дисперсии, что приводит к снижению точности измерения физических свойств жидкостей (концентрации смесей, плотности и др.), связанных функционально с их электрофизическими свойствами.
Техническим результатом является повышение точности измерения за счет обеспечения возможности проведения локальных измерений физических свойств жидкости в одном и том же (ВЧ) частотном диапазоне (1÷100 МГц) в обоих чувствительных элементах устройства - рабочем, заполняемым контролируемой жидкостью, и эталонном, заполняемым эталонной жидкостью.
Технический результат в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости в емкости, содержащем рабочий чувствительный элемент в виде первого резонатора - отрезка коаксиальной линии, заполняемого контролируемой жидкостью, между полым внутренним и наружным проводниками которого размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, и эталонный чувствительный элемент в виде второго резонатора, заполняемого эталонной жидкостью, являющегося полостью внутреннего проводника первого резонатора, при этом оба резонатора подключены через соответствующие элементы возбуждения и съема колебаний и линии связи этих резонаторов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, подсоединенного выходом к индикатору, достигается тем, что второй резонатор выполнен идентично первому резонатору коаксиальным, при этом его наружным проводником служит внутренняя поверхность полого внутреннего проводника, внутренним проводником - центральный металлический стержень, а между ним и указанным наружным проводником размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства.
1
k
n-1
2
k
n-1
Здесь показаны рабочий чувствительный элемент 1, эталонный чувствительный элемент 2, внутренний цилиндр 3, внешний цилиндр 4, металлические цилиндры 5, … 5, …, 5 (k=2, 3, …, n-1), центральный металлический стержень 6, металлические цилиндры 7, … 7, …, 7 (k=2, 3, …, n-1), элемент связи 8, ВЧ-генератор 9, элемент связи 10, блок регистрации резонансной частоты 11, элемент связи 12, ВЧ-генератор 13, элемент связи 14, блок регистрации резонансной частоты 15, блок вычислений 16, индикатор 17.
1
k
n-1
Устройство содержит рабочий чувствительный элемент 1 и эталонный чувствительный элемент 2. Рабочий чувствительный элемент 1 - отрезок коаксиальной линии - образован совокупностью наружной поверхности металлического внутреннего цилиндра 3 и металлическим внешним цилиндром 4. Для значительного снижения габаритов чувствительного элемента, необходимого для проведения локальных измерений, а также и уменьшения значения резонансной частоты данного резонатора, необходимого для обеспечения одномодового режима колебаний основного типа ТЕМ и недопущения возбуждения колебаний (волн) высших типов, между полым внутренним 3 и наружным 4 проводниками отрезка длинной линии 1 размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров 5, … 5, …, 5 (k=2, 3, …, n-1), поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов. В рабочем чувствительном элементе 1 - отрезке длинной линии - как в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания.
2
k
n-1
Эталонный чувствительный элемент 2 - также отрезок коаксиальной линии - образован совокупностью внутреннего проводника 6 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3. Эталонный чувствительный элемент 2 выполнен идентично рабочему чувствительному элементу 1. У него между полым внутренним 3 и центральным металлическим стержнем 6 размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров 7, … 7, …, 7 (k=2, 3, …, n-1), поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов. В таком чувствительном элементе 2 - отрезке длинной линии - как в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания. Пространство между проводниками этого отрезка длинной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого параметра (физического свойства), а пространство между проводниками другого (рабочего) отрезка длинной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе.
1
В чувствительном элементе 1 - резонаторе в виде отрезка длинной линии - возбуждают электромагнитные колебания через элемент связи 8 с помощью ВЧ-генератора 9. Определение значения f основной резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента связи 10, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 11. Элементы связи 8 и 10 могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель (индуктивная связь).
2
В чувствительном элементе 2 - резонаторе в виде отрезка длинной линии - возбуждают электромагнитные колебания через элемент связи 12 с помощью ВЧ-генератора 13. Определение значения f основной резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента связи 14, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 15. Элементы связи 12 и 14 также могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель.
1
2
Измеренные значения f и f основной резонансной частоты обоих измерительных каналов поступают в блок вычислений 16. С выхода этого блока сигнал, соответствующий измеряемому физическому свойству жидкости, в частности концентрации смеси, поступает на индикатор 17.
В другом варианте реализации схемы устройства каждый из чувствительных элементов 1 и 2 - отрезков длинной линии - может быть включен в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора и определяет его частоту генерации. Эти частоты поступают в блок вычислений для совместной функциональной обработки с целью измерения величины измеряемого параметра.
Отрезок коаксиальной линии может представлять собой резонатор с сосредоточенными (электрическую емкость) или распределенными параметрами на его основе (во втором случае - это отрезок коаксиальной длинной линии) с информативным параметром в виде резонансной частоты f электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. 280 с.). При заполнении жидкостью пространства между проводниками отрезка коаксиальной линии изменяется величина измеряемого информативного параметра в зависимости от электрофизических параметров жидкости - ее диэлектрической проницаемости ε или (и) тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (проводимости σ), функционально связанных с измеряемым параметром (физическим свойством жидкости). Значения резонансной частоты f, находящейся обычно в пределах 1÷100 МГц, определяются размерами отрезков коаксиальной линии и электрофизическими параметрами жидкостей. Данные чувствительные элементы (отрезки коаксиальной линии) функционируют независимо друг от друга.
1
2
0
0
Пусть для определенности отрезок коаксиальной линии 1 заполняется контролируемой жидкостью, а отрезок коаксиальной линии 2 - эталонной жидкостью. Тогда значения f и f являются функциями измеряемого параметра x (физической величины) и его номинального значения x. Значения x и х зависят от электрофизических параметров, соответственно, контролируемой и эталонной жидкостей.
1
2
0
1
2
Поскольку чувствительные элементы 1 и 2 - отрезки коаксиальной линии - пространственно совмещены, то они находятся в одинаковых внешних условиях, в частности, при одной и той же температуре. Следовательно, результат совместной функциональной обработки в блоке 16 значений частот f и f, соответствующих измеряемому значению x и эталонному значению х и определяемых в блок регистрации резонансной частоты 11 и 15, не зависит от температуры, а только от величины измеряемого параметра. Чаще всего блок 16 - это вычитающее устройство с определением разности частот f и f. При этом возможно с высокой точностью измерять малые изменения (доли процента) измеряемого параметра x.
Первому измерительному каналу (ВЧ) соответствует первый чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1 - резонатора. Его внутренний проводник 3 выполнен полым. Второму измерительному каналу (также ВЧ) в предлагаемом устройстве соответствует второй чувствительный элемент 2 в виде резонатора, располагаемого в полости внутреннего проводника 3. При этом второй резонатор выполнен идентично первому резонатору коаксиальным, при этом его наружным проводником служит внутренняя поверхность полого внутреннего проводника, внутренним проводником - центральный металлический стержень, а между ним и указанным наружным проводником размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов.
Необходимо обеспечить свободный доступ контролируемой жидкости внутрь полости чувствительного элемента 1 и эталонной жидкости в полость чувствительного элемента 2. Для этого в стенках соответствующих резонаторов следует предусмотреть наличие малых (неизлучающих) отверстий.
1
2
Приведем оценки значений резонансной частоты f электромагнитных волн для отрезков длинной линии - чувствительных элементов 1 и 2. Данная конструкция отрезка длинной линии имеет электрическую длину, в k раз (k=2, 3, …) большую реальной длины каждого его участка, а его габариты (в данном случае длина) существенно меньше по сравнению с длиной прямого отрезка коаксиальной линии. Так, если исходный четвертьволновый отрезок линии имеет длину l=5 см, то для него f=1,5 ГГц, а при l=2,5 см имеем f=3 ГГц. При наличии пяти участков зигзагообразной линии, обеспечиваемых наличием четырех вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, с длиной каждого участка l=2,5 см, электрическая длина такого отрезка линии становится равной 12,5 см и, следовательно, f=0,6 ГГц. Данная частота ВЧ-диапазона значительно меньше критической частоты возбуждения волн высших типов, т.е. обеспечен одномодовый режим возбуждения в отрезке длинной линии колебаний только основного типа ТЕМ. Итак, за счет обеспечения зигзагообразного пути распространения электромагнитных волн в отрезке длинной линии его габариты (длина) существенно уменьшаются путем выбора числа изгибов исходного отрезка линии (т.е. числа металлических цилиндров в конструкции датчика). При заполнении чувствительных элементов 1 и 2, соответственно, контролируемой и эталонной жидкостями значения соответствующих резонансных частот f и f еще более снижаются.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение локальных значений физических свойств различных жидкостей и при наличии весьма неравномерного характера изменения их электрофизических свойств по объему резервуара с контролируемой жидкостью. Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности, изменений температуры, имеющих разное значение (градиент) в контролируемой области.