СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
DIELECTRIC FLUID MOISTURE CONTENT DETERMINATION METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения влагосодержания различных диэлектрических жидкостей, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перемещаемых по трубопроводам.
Известны различные способы и устройства для определения влагосодержания жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ волноводов и 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 влагосодержания 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).
Известен также способ определения влагосодержания жидкости, который заключается в проведении измерений фазового сдвига зондирующих и провзаимодействовавших с контролируемым веществом электромагнитных волн на двух фиксированных частотах (RU 2614054 С1, 22.03.2017). Этот способ обеспечивает независимость результатов измерения влагосодержания от диэлектрической проницаемости контролируемого диэлектрического вещества. Недостатком этого способа являются его ограниченные функциональные возможности, характеризуемые сложностью реализации и необходимостью применения антенн для зондирования и приема электромагнитных волн в поперечном к стенкам емкости или трубопровода направлении через специальные диэлектрические "окна" в стенках емкости (измерительной ячейки) с веществом (при измерениях в стационарных условиях) или трубопровода с перемещаемым веществом (при измерениях в трубопроводах). Это может встречать затруднения при реализации, в частности, при измерениях в емкостях (измерительных ячейках) или трубопроводах малых диаметров.
Известно также техническое решение (RU 2626409 С1, 27.07.2017), которое содержит описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Согласно этому способу-прототипу определение влагосодержания жидкости производят при возбуждении электромагнитных волн фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью 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. Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная невысокой точностью измерений при изменении диэлектрической проницаемости влагосодержащей жидкости, что имеет место, например, при изменении сорта жидкого топлива (нефтепродукта).
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей способа измерения за счет повышения точности измерения.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе измерения влагосодержания диэлектрической жидкости, при котором в первом такте измерений возбуждают электромагнитные волны первой фиксированной частоты в волноводе с контролируемой жидкостью 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, согласно изобретению дополнительно во втором такте измерений возбуждают в волноводе электромагнитные волны фиксированной частоты, которую выбирают выше критической частоты волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют фазовый сдвиг возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн, при этом хотя бы одну из частот выбирают в области наличия частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды на этой частоте, производят совместное функциональное преобразование измеренных амплитуды и фазового сдвига, по результату которого судят о влагосодержании жидкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением способа.
Здесь показаны волновод 1, генераторы 2 и 3, первый коммутатор 4, элементы связи 5 и 6, второй коммутатор 7, детектор 8, функциональный преобразователь 9, фазометр 10, регистратор 11.
Способ реализуется следующим образом.
н
1
2
н
н
В данном способе реализуют структурный подход к достижению инвариантности к диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости, в частности к ее сортности, изменения которой имеют место, в частности, при контроле нефти и нефтепродуктов в какой-либо емкости или в процессе их транспортирования по трубопроводу. Этот подход связан с организацией двух измерительных каналов (двух последовательных тактов измерений на двух разных фиксированных частотах ƒ и ƒ) и совместным функциональным преобразованием их выходных величин с целью получения результата этого преобразования, который не зависит от возмущающего фактора, в данном случае - от величины диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости и изменений ε.
1
2
1
кр
2
кр
1
2
11
Предлагаемый способ заключается в возбуждении электромагнитных волн в волноводе, используемом в качестве измерительной ячейки (при измерениях в стационарных условиях) или в качестве отрезка измерительного волновода, встроенного в трубопровод с перекачиваемой жидкостью (при измерениях в трубопроводах). Электромагнитные волны в волноводе возбуждают последовательно на двух разных фиксированных частотах ƒ и ƒ, одна из которых, для определенности частота ƒ ниже критической частоты ƒ для волны низшего типа, а другая частота, для определенности, частота ƒ, выше этой критической частоты ƒ. При этом на частоте ƒ вдоль волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости. На частоте ƒ электромагнитные волны распространяются в обычном режиме на "рабочем" типе волн, в частности на низшем типе Н в круглом волноводе (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. – М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 80-89).
1
2
1
2
Электромагнитные волны принимают после их распространения вдоль данного волновода на другом его торце и измеряют на частоте ƒ, ниже критической частоты волновода, амплитуду Е напряженности электрического поля и на частоте ƒ, выше критической частоты волновода, фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на одном торце волновода и принимаемых на другом его торце. По результату совместного преобразования измеренных амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ судят о влагосодержании жидкости. При этом хотя бы одну из частот ƒ или ƒ выбирают в области наличия частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды на этой частоте.
кp
кр
11
кp
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: ƒ>ƒ, которому должны удовлетворять рабочая частота ƒ и критическая частота ƒ для волны низшего типа, например для волны Н в круглом волноводе. При ƒ<ƒ имеет место режим, при котором распространения волн по волноводу не происходит, а существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. - М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136).
При этом электрическое поле (как и магнитное поле) изменяется вдоль координаты z (оси волновода) по закону:
а постоянная ослабления α есть
0
кр
В этих формулах Е - амплитуда напряженности электрического поля при z=0; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрической жидкости в волноводе, с - скорость света. Выбирая соотношение между ƒ и ƒ, можно управлять величиной ослабления α.
кр
Если частота ƒ генератора меньше критической частоты ƒ данного волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема есть
0
кр
где  Е - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе (т.е. в области расположения связи 3), λ - критическая длина волны для данного волновода, l - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний. Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (3). При этом значение Е зависит от влагосодержания контролируемой жидкости в волноводе.
11
кр
11
кр
кp
кp
Для волн низшего типа Н имеем λ=3,4d/2 и, соответственно, где d - внутренний диаметр волновода (Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Т. 1. - М.: Высшая школа. 1970. 440 с. С. 132-136). Например, при d=30 мм, для волн типа Н будем иметь λ=3,41d/2=5,115 см; тогда ƒ=5,865/√ε ГГц. Если, например, ε=2,0, то должно быть ƒ<ƒ = 5,865/√ε ГГц = 4,148 ГГц.
Длина l измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметра волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.
1
2.
Согласно данному способу, определение влагосодержания производят при проведении двух последовательных тактов измерений на фиксированных частотах ƒ и ƒ
1
кр
В первом такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ, меньшей критической частоты ƒ волновода, принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют амплитуду Е напряженности электрического поля:
где
0
кр
1
1
Е - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом волноводе, l - длина измерительного участка, т.е. расстояние вдоль волновода между элементами возбуждения и съема электромагнитных колебаний, λ - критическая длина волны в волноводе, ε(ƒ) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ.
2
кp
Во втором такте измерений, при возбуждении в волноводе на одном из его торцов электромагнитных волн на фиксированной частоте ƒ, большей той же критической частоты ƒ волновода (или иной критической частоты для какого-либо другого рабочего типа волн, если его выбирают для измерений), принимают электромагнитные волны после их распространения вдоль волновода на другом его торце и измеряют фазовый сдвиг Δϕ электромагнитных волн, возбуждаемых на одном торце волновода и принимаемых на другом его торце:
2
2
где ε(ƒ) - диэлектрическая проницаемость жидкости на частоте ƒ.
н
Величина диэлектрической проницаемости ε влагосодержащего диэлектрика, имеющего диэлектрическую проницаемость ε и влагосодержание W, описывается при малых W формулой Винера (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов В. М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. М: Энергия. 1980. 240 с. С. 55-66):
в
где  ε(ƒ) - диэлектрическую проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот.
1
1
2
2
н
Например, если производить измерения на частоте ƒ=10 ГГц, то (ƒ)=1,095, а на частоте ƒ=37,5 ГГц, то D(ƒ)=1,383, если считать ε=2.
1
2
1
1
1
2
н
н
Выражения для D(ƒ), D(ƒ) в формулах (4) и (5) можно упростить, если положить D(ƒ)-W≈D(ƒ), D(ƒ)-W≈D(ƒ), и не зависят от ε, то допустимо при малых значениях влагосодержания (до ~ 5%) и реальных пределах изменения ε.
1
2
1
2
н
в
1
2
н
в
в
Постоянство величин D(ƒ) и D(ƒ) для соответствующих частот ƒ и ƒ вытекает из постоянства величин ε и ε, входящих в формулы для D(ƒ) и D(ƒ). Величина ε постоянна в широком диапазоне изменения частоты ƒ, величина ε постоянна на недисперсионном участке кривой ε(ƒ) и принимается постоянной на дисперсионном участке этой кривой. Это справедливо при проведении изменений с помощью измерительных устройств, работающих на фиксированных частотах.
1
2
1
2
в
в
н
1
2
Покажем теперь на реальном примере, что D(ƒ)-W и D(ƒ)-W, а точнее, величины 3/(D(ƒ)-W) и 3/(D(ƒ)-W), входящие в общем виде при произвольном значении частоты ƒ в формулу (1), не зависят (с некоторой допустимой погрешностью) от ε. Так, при реальном изменении ε на 10% по сравнению с первоначальным значением ε=2, т.е. до значения 2,2, при значениях частот ƒ=10 ГГц и ƒ=37,5 ГГц будем иметь:
н
1
2
при ε=2: D(ƒ)=1,095, D(ƒ)=1,383;
н
1
2
при ε=2,2: D(ƒ)=1,105, D(ƒ)=1,337.
1
2
Отсюда следует, что относительное изменение D(ƒ) есть ~ 0,9%, а относительное изменение D(ƒ) есть ~ 2,6%.
1
2
1
2
1
1
2
2
Оценим, как влияют эти изменения D(ƒ) и D(ƒ) на коэффициенты при W в формуле (1) при ƒ=ƒ и ƒ=ƒ, а именно на коэффициент k=3/(D(ƒ)-W) и коэффициент k=3/(D(ƒ)-W):
н
1
2
при ε=2 имеем: k ≈ 2,752, k ≈ 2,31;
н
1
2
при ε=2,2 имеем: k ≈ 2,727, k ≈ 2,33.
1
н
н
1
2
1
2
н
Отсюда следует, что относительное изменение как k, так и есть ~ 0,9%, что в ~ 100 раз меньше относительного изменения ε, т.е. реальное изменение ε не влияет практически на k и k. В формулах для D(ƒ) и D(ƒ) можно использовать для выражения ε значение  - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.
1
2
Отметим, что для реализации данного способа измерений достаточно, если рассматриваемой частотной дисперсией обладает вода только на одной из двух рабочих частот (ƒ или ƒ).
1
При проведении измерений в первом такте на частоте ƒ будем иметь:
в
1
1
2
где ε(ƒ) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот,  - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости. При проведении измерений во втором такте на частоте ƒ будем иметь:
где
в
2
2
ε(ƒ) - диэлектрическая проницаемость воды, являющаяся функцией частоты ƒ в СВЧ-диапазоне частот,  - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости.
При достаточно больших значениях W следует использовать другие известные выражения для ε (Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов / Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов В. М.В. Под общ. ред. Кричевского Е.С. - М.: Энергия. 1980. 240 с.).
При рассмотрении (7) и (8) как системы уравнений и ее решении относительно искомого влагосодержания W получим
С учетом формул (4) и (5) выражение (9) принимает следующий вид:
Формулу (10) запишем в следующем виде:
1
2
3
4
5
6
где k, k, k, k, k, k - постоянные величины, причем
н
Таким образом, осуществляя совместное преобразование измеряемых значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ согласно соотношению (11), получаем значение влагосодержания W, которое не зависит от диэлектрической проницаемости ε контролируемой жидкости и ее возможных изменений.
На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации данного способа.
1
кр
2
кр
1
2
н
Возбуждение электромагнитных волн в волноводе 1 осуществляется последовательно, в первом и втором тактах измерений, на фиксированной частоте ƒ, меньшей критической частоты ƒ для этого волновода, и на фиксированной частоте ƒ, большей критической частоты ƒ, с помощью, соответственно, генератора 2 и генератора 3 через первый коммутатор 4 и элемент связи 5. Другой элемент связи (приема) 6 электромагнитных волн расположен на расстоянии l вдоль волновода 1. В первом такте измерений принимаемые волны на частоте ƒ поступают через второй коммутатор 7 на детектор 8 и затем продетектированные сигналы амплитуды Е подаются на первый вход функционального преобразователя 9. Во втором такте измерений принимаемые волны на частоте ƒ поступают с выхода коммутатора 7 на первый вход фазометра 10, на второй вход которого подаются волны с генератора 2 для определения фазового сдвига Δϕ. С выхода фазометра 10 сигналы поступают на второй вход функционального преобразователя 9, в котором осуществляют совместное преобразование значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ согласно вышеприведенному соотношению. Выход функционального преобразователя 9 подсоединен к регистратору 11 для определения искомого влагосодержания W, которое не зависит от значения ε.
1
2
1
2
Для волноводов конкретных размеров выбором частот ƒ и ƒ генераторов 2 и 3 и размеров волновода (измерительной ячейки) можно оптимизировать чувствительность устройства для измерения влагосодержания жидкости в рабочем диапазоне его изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативных параметров - значений амплитуды Е и фазового сдвига Δϕ - от значений, соответственно, ε(ƒ) и ε(ƒ), функционально связанных с измеряемым влагосодержанием жидкости.
Таким образом, данный способ позволяет достаточно просто и с высокой точностью определять влагосодержание различных диэлектрических жидкостей с высокой точностью, независимо от диэлектрической проницаемости контролируемой жидкости. Предлагаемый способ может быть реализован как при работе с образцами контролируемой влагосодержащей жидкости в стационарных условиях, так и при ее движении - при перемещении жидкости по трубопроводу.