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

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.).
Известно техническое решение (RU 2285913 С1, 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 ТЕМ 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 измерительных канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора.
Недостатком этого способа 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 описание способа, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Этот способ-прототип заключается в возбуждении электромагнитных колебаний основного типа ТЕМ в двух отрезках коаксиальной длинной линии (коаксиального волновода), заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, располагаемых соосно и образованных совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии. Измеряют резонансные частоты электромагнитных колебаний типа ТЕМ этих отрезков коаксиальной длинной линии с контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью и по соотношению (разности) значений измеренных резонансных частот судят об измеряемом физическом свойстве контролируемой жидкости.
Недостатком данного способа измерения является ограниченность его функциональных возможностей, обусловленная организацией в каждом из измерительных каналов, рабочем и эталонном, радиочастотного резонатора на основе отрезка коаксиальной длинной линии и определении резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. При невысокой добротности таких резонаторов, что может иметь место при контроле жидкостей, являющимися несовершенными диэлектриками, при наличии потерь электромагнитной энергии в проводниках отрезков коаксиальной длинной линии, точность измерения является невысокой из-за невозможности высокоточного измерения резонансных частот таких резонаторов.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения физических свойств диэлектрической жидкости.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения физических свойств диэлектрической жидкости возбуждают электромагнитные волны в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии, служащих чувствительными элементами измерительных каналов, рабочего и эталонного, и заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, измеряют значение информативного параметра каждого из чувствительных элементов, и по отличию этих значений информативного параметра судят о величине измеряемого физического свойства жидкости, при этом в качестве отрезков коаксиальной длинной линии используют совокупность располагаемых соосно двух металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной длинной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной длинной линии, возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии производят на фиксированной частоте, в качестве информативного параметра каждого чувствительного элемента используют фазовый сдвиг возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце, и о величине измеряемого физического свойства жидкости судят по отличию значений фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии.
На чертеже изображена функциональная схема устройства для реализации способа.
В схему введены обозначения: 1 и 2 - отрезки коаксиальной длинной линии, 3 и 4 - внутренний и внешний цилиндры, 5 - центральный проводник, 6 и 7 - линии связи, генераторы 8 и 9, направленные ответвители 10, 11, 12 и 13, фазовые детекторы 14 и 15, функциональный преобразователь 16, регистратор 17.
Способ реализуется следующим образом.
Согласно данному способу измерения физических свойств диэлектрической жидкости, возбуждают электромагнитные волны в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии, служащих чувствительными элементами измерительных каналов, рабочего и эталонного, и заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью. Производят измерение значения информативного параметра каждого из чувствительных элементов, и по отличию этих значений информативного параметра в этих двух чувствительных элементах судят о величине измеряемого физического свойства жидкости. В данном способе возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух отрезков коаксиальной длинной линии производят на фиксированной частоте, а в качестве информативного параметра каждого чувствительного элемента используют фазовый сдвиг возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце.
Один из чувствительных элементов - отрезок коаксиальной длинной линии 1 - образован совокупностью внешнего цилиндра 4 и наружной поверхности внутреннего цилиндра 3, а другой чувствительный элемент - отрезок коаксиальной длинной линии 2 - совокупностью центрального проводника 5 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3. Пространство между проводниками одного из этих отрезков коаксиальной длинной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого физического свойства, а пространство между проводниками другого отрезка коаксиальной длинной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе.
0
0
0
0
При заполнении жидкостью пространства между проводниками каждого из отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 изменяется величина измеряемого информативного параметра - фазового сдвига возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на том же или противоположном его конце -в зависимости от значения диэлектрической проницаемости ε и ε, соответственно, контролируемой и эталонной жидкости. Величины ε(х) и ε(х) функционально связаны с соответственно, измеряемым х и номинальным х значениями измеряемого физического свойства жидкости. Данные чувствительные элементы (отрезки коаксиальной длинной линии 1 и 2) функционируют независимо друг от друга; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния.
Для фазового сдвига Δϕ возбуждаемых на фиксированной частое ƒ в отрезке длинной линии электромагнитных волн и волн, отраженных от противоположного (нижнего) конца отрезка длинной линии и принимаемых на том же конце, где производим возбуждение волны, имеем следующее выражение: (это вытекает, например, из сведений в монографии: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 280 с. С.73-74):
0
где ƒ - частота генератора, с - скорость света, l - длина отрезка длинной линии, ε -относительное значение диэлектрической проницаемости жидкости, Δϕ - фазовый сдвиг фиксированной величины, обусловленный отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии.
0
0
н
0
0
Н
Фазовый сдвиг Δϕ обусловлен отражением от нагрузки на конце отрезка длинной линии и имеет следующее значение: Δϕ=π-2arctg(X/W). Для короткозамкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ=π, для разомкнутого на конце отрезка длинной линии имеем Δϕ. Здесь Х - реактивное нагрузочное сопротивление, W - волновое (характеристическое) сопротивление отрезка длинной линии.
0
0
Будем для определенности считать, что каждый из двух отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 разомкнут на его конце; в этом случае Δϕ. Будем также для определенности считать, что пространство между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии 1 заполняется контролируемой жидкостью с диэлектрической проницаемости ε, а пространство между проводниками отрезка коаксиальной длинной линии 2 заполняется эталонной жидкостью с диэлектрической проницаемости ε.
1
Тогда с учетом соотношения (1) для отрезка коаксиальной длинной линии 1 будем иметь следующее выражение для фазового сдвига Δϕвозбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн;
2
а для отрезка коаксиальной длинной линии 2 - следующее выражение для фазового сдвига Δϕ возбуждаемых и принимаемых электромагнитных волн;
1
В отрезке коаксиальной длинной линии 1 возбуждают электромагнитные волны с применением высокочастотного генератора 8 фиксированной частоты. Отраженные от конца отрезка коаксиальной длинной линии 1 электромагнитные волны, а также прямые волны (часть их мощности) подаются от генератора 8 на фазовый детектор 14. Для этой цели служат направленные ответвители 10 и 11, соответственно, для прямых и отраженных электромагнитных волн. На выходе фазового детектора 14, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕэтих волн.
2
В отрезке коаксиальной длинной линии 2 возбуждают электромагнитные волны с применением высокочастотного генератора 9 фиксированной частоты. Отраженные от конца отрезка коаксиальной длинной линии 2 электромагнитные волны, а также прямые волны (часть их мощности) подаются от генератора 9 на фазовый детектор 15. Для этой цели служат направленные ответвители 12 и 13, соответственно, для прямых и отраженных электромагнитных волн. На выходе фазового детектора 15, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕ этих волн.
2
Направленный ответвитель 12 соединен с помощью проводников линий связи 6 с отрезком коаксиальной длинной линии 1, а направленный ответвитель 13 соединен с помощью проводников линий связи 7 с отрезком коаксиальной длинной линии 2. На выходе фазового детектора 15, осуществляющего сравнение фаз прямых и отраженных волн, образуется сигнал, напряжение которого пропорционально разности фаз Δϕ этих волн.
Выходы фазовых детекторов 14 и 15 подсоединены ко входу функционального преобразователя 16, выходом подключенного ко входу регистратора 17, выходной сигнал которого соответствует значению измеряемого физического свойства жидкости.
1
2
1
2
Согласно данному способу измерения, в качестве информативного параметра каждого из отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 может быть использован соответствующие значения Δϕ и Δϕ фазового сдвига возбуждаемых электромагнитных волн и электромагнитных волн, распространившихся вдоль соответствующего отрезка коаксиальной длинной линии и принятых на противоположном его конце. В этом случае будем иметь:  О величине измеряемого физического свойства жидкости судят по отличию значений Δϕ и Δϕ фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2.
1
2
Поскольку отрезки 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 совместной функциональной обработки в функциональном преобразователе 16 значений Δϕ и Δϕ фазового сдвига в двух отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2, соответствующих измеряемому значению х и номинальному значению хо измеряемого физического свойства жидкости, не зависит от температуры, а только от величины измеряемого параметра.
10
20
1
2
10
20
0
1
2
0
10
20
1
2
1
2
0
1
2
3
4
10
20
1
2
1
2
3
4
9
Отрезки коаксиальной длинной линии 1 и 2 могут иметь одинаковые начальные (в отсутствие жидкостей) значения Δϕ и Δϕ фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ. При равенстве Δϕ и Δϕ их разность, определяемая в функциональном преобразователе 16, равна нулю как в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей, так и наличии одной и той же жидкости (т.е. при начальных условиях х=х) в обоих отрезках коаксиальной длинной линии 1 и 2. В этом случае разность значений фазовых сдвигов Δϕ и Δϕ соответствует только изменению х-х значения измеряемого физического свойства жидкости, что особенно важно при проведении высокоточных измерений малых значений содержания одной жидкости в смеси жидкостей (растворе). Для конструкции на фиг. 1 такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной l отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 и выбором соотношения диаметров проводников 3, 4 и 5 отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2. Для отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2, имеющих одинаковую длину l, соотношение Δϕ=Δϕ обеспечивается при равенстве погонных значений электрических емкостей С и С отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. С. 125-131). Для конструкции на фиг. 1 электрические емкости С и С отрезков коаксиальной длинной линии 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:  где ε = 1/36π⋅10 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, d, d, d, d - соответственно, диаметр внешнего цилиндра, наружный диаметр внутреннего цилиндра, внутренний диаметр внутреннего цилиндра и диаметр центрального проводника. Следовательно, Δϕ=Δϕ, если С=С, что соответствует следующему соотношению: d/d= d/d.
Таким образом, данный способ реализуется достаточно просто на основе двух отрезков коаксиальной длинной линии с возбуждением в них электромагнитных волн фиксированной частоты. Он не связан с рассмотрением отрезков коаксиальной длинной линии как резонаторов и проведением измерений их соответствующих значений резонансной частоты электромагнитных колебаний. Способ позволяет с высокой точностью измерять различные физические свойства диэлектрических жидкостей за счет возможности контроля одной и той же области контролируемой жидкости, находящейся при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.). Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности, изменений температуры, имеющей разное значение в разных областях емкости с контролируемой жидкостью.