УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING THE PHYSICAL PROPERTIES OF A DIELECTRIC 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 С1, 20.10.2006), которое содержит описание устройства для 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. Устройство содержит чувствительные элементы, соединенные линиями связи 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 данного устройства 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, 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 для измерения физической величины, в частности, физических свойств жидкости, содержащее волноводный резонатор с размещенным контролируемым объектом в волновом поле одного из его торцевых участков и идентичным объектом с эталонным значением измеряемой физической величины в волновом поле другого торцевого участка. Устройство содержит электронный блок для определения одной из характеристик стоячей волны в волноводном резонаторе. Недостатком данного устройства 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. Устройство становится неработоспособным при отсутствии возможности образования стоячей волны в волноводе.
Известно также техническое решение (RU 2626409 С1, 27.07.2017), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит полый волновод с размещенной в электромагнитном поле волновода с одного из его торцевых участков контролируемой жидкостью и, с другого торцевого участка волновода, - идентично размещенной той же жидкостью с эталонным значением ее измеряемого физического свойства. К волноводу подсоединен на одном его торцевом участке через первый элемент связи генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты, которая ниже критической частоты волновода. На другом торцевом участке волновода к нему через второй элемент связи подключен детектор, к выходу которого подсоединен регистратор амплитуды напряженности электрического поля. Для реализации этого устройства с малыми, порядка нескольких сантиметров, размерами измерительной ячейки, требуется наличие его электронного блока, работающего в СВЧ-диапазоне частот (несколько гигагерц), что усложняет конструкцию устройства.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции устройства для измерения физических свойств диэлектрической жидкости.
11
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения физических свойств диэлектрической жидкости, содержащем волновод с размещенной в электромагнитном поле волновода с одного из его торцевых участков контролируемой жидкостью и, с другого торцевого участка волновода, - идентично размещенной той же жидкостью с эталонным значением ее измеряемого физического свойства, подсоединенный к волноводу на одного его торцевом участке через первый элемент связи генератор электромагнитных колебаний фиксированной частоты, которая ниже критической частоты волновода, а на другом торцевом участке волновода к нему через второй элемент связи подключен детектор, к выходу которого подсоединен регистратор амплитуды напряженности электрического поля, волновод выполнен в виде коаксиального волновода, а фиксированная частота генератора выбрана меньшей критической частоты коаксиального волновода для низшего типа волн H в коаксиальном волноводе.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением устройства.
На фиг. 2 приведен пример реализации устройства для измерения физических свойств диэлектрической жидкости.
На чертежах показаны коаксиальный волновод 1, внутренний проводник 2, наружный проводник 3, генератор 4, элементы связи 5 и 6, детектор 7, регистратор 8, эталонная жидкость 9, контролируемая жидкость 10, диэлектрическая пластина 11.
Устройство реализуется следующим образом.
кр
11
В предлагаемом устройстве производят возбуждение электромагнитных волн в коаксиальном волноводе на частоте, которая ниже критической частоты f коаксиального волновода для одного из высших типов волн в нем, а именно, низшего типа волн Н в коаксиальном волноводе. При этом вдоль этого волновода существует только ослабевающее реактивное поле, убывающее при удалении от возбуждающего элемента у одного из торцов емкости. Отметим, что предлагаемое устройство работоспособно именно на одном из высших типов волн в рассматриваемом коаксиальном волноводе, так как волны в нем на основном типе ТЕМ характеризуются отсутствием указанного распределения реактивного поля вдоль волновода.
кр
кр
11
кр
Условием распространения электромагнитных волн по любому волноводу является выполнение неравенства: f > f, которому должны удовлетворять рабочая частота f и критическая частота f для волны низшего типа, например, для волны Н в круглом волноводе. При f < f 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
кр
В этих формулах E - амплитуда напряженности электрического поля при z = 0; ω = 2πf; ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества в волноводе, с - скорость света. Выбирая соотношение между f и f, 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 коаксиального волновода. На фиг. 1 изображен коаксиальный волновод 1, образованный совокупностью внутреннего проводника 2 и наружного проводника 3. Возбуждение электромагнитных волн фиксированной частоты в коаксиальном волноводе осуществляется с помощью генератора 4 через элемент связи 5. Другой элемент связи (приема) 6 электромагнитных волн расположен на расстоянии l вдоль коаксиального волновода 1. Принимаемые волны поступают на детектор 7, подсоединенный к регистратору 8.
кр
Если частота f генератора меньше критической частоты f данного коаксиального волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема есть
0
где , E - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом коаксиальном волноводе (т.е. в области расположения связи 5), l - длина измерительного участка.
m1
11
крH11
В коаксиальном волноводе среди возможных возбуждаемых волн типа H (m = 1,2,3…) низший тип есть H. В этом случае имеем следующее выражение для критической длиной волны λ (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат. 464 с. С. 45 - 46):
кр
и, соответственно формуле (4), следующее выражение для критической частоты f:
1
2
где D и D - значение, соответственно, диаметра внутреннего проводника 2 коаксиального волновода и внутреннего диаметра его наружного проводника 3.
кр
1
2
Особенностью волн этих H-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m = 1,2,3…, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для f суммы диаметров D и D.
1
2
11
кр
Например, при D = 10 мм, D = 50 мм для волн типа Н будем иметь f = 1,67 ГГц. При f = 1 ГГц будем иметь  1/см. Следовательно, информативный параметр Е(ε) при l = 100 мм имеет величину .
Длина l измерительного участка, частота f генератора выбираются с учетом диаметров проводников коаксиального волновода, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения.
2
2
кр
В устройстве-прототипе, где рассматривается полый волновод с диаметром D, при тех же значениях диаметра D = 50 мм и длины l = 100 мм будем иметь f = 3,6 ГГц. При f = 3,3 ГГц получаем k = 0,3012 1/см. При этом информативный параметр Е(ε) имеет величину .
кр
Следовательно, в предлагаемом устройстве, по сравнению с устройством-прототипом, возможно при тех же габаритах (наружном диаметре волновода) и той же чувствительности устройства применение более низкого значения рабочей фиксированной частоты f с обеспечением требуемого режима работы устройства при f < f. Это, в свою очередь, позволяет упростить конструкцию устройства, применяя элементную базу электронного блока устройства значительно более низких частот.
кр
11
При реализации данного устройства для измерения физических свойств жидкости осуществляют возбуждение электромагнитных волн в указанном коаксиальном волноводе, размещение контролируемой жидкости в электромагнитном поле одного из торцевых участков этого волновода и идентичным размещением той же жидкости с эталонным значением ее измеряемого физического свойства в электромагнитном поле другого торцевого участка волновода. В рассматриваемом коаксиальном волноводе возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты f на одном из его торцов. При этом частоту f возбуждаемых электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты f коаксиального волновода для низшего типа волн H в коаксиальном волноводе. Измеряют амплитуду напряженности электрического поля на другом торце коаксиального волновода, по которой судят об измеряемом физическом свойстве жидкости.
Для коаксиальных волноводов конкретных размеров выбором частоты f генератора можно оптимизировать чувствительность такого датчика физических свойств жидкости в рабочем диапазоне их изменения. При этом имеет место монотонность зависимости информативного параметра - амплитуды Е(ε) напряженности электрического поля - от значения ε, функционально связанного с измеряемым физическим свойством жидкости.
В данном устройстве контролируемую и эталонную жидкости располагают в коаксиальном волноводе с разных его торцов идентично. При этом возможна различная степень заполнения каждой из частей коаксиального волновода: 1) заполнение каждой жидкостью (контролируемой и эталонной жидкостями) половины длины коаксиального волновода; при этом коаксиальный волновод полностью заполнен этими двумя жидкостями, образующими границу раздела; 2) идентичное заполнение каждой жидкостью только части длины соответствующей половины коаксиального волновода, например, торцевой части каждой половины его длины или части, прилегающей к середине длины коаксиального волновода; 3) возможно также идентичное расположение каждой жидкости в некоторой части соответствующей половины длины коаксиального волновода, не примыкающей к ее концам.
0
0
0
На фиг. 2 показано применение данного устройства для измерения физических свойств диэлектрической жидкости с диэлектрической проницаемостью ε, где в первой половине коаксиального волновода 1 размещена эталонная жидкость 9 с диэлектрической проницаемостью ε - жидкость с эталонным значением x измеряемой величины x (и ε = ε), а идентичная вторая половина коаксиального волновода 1 заполнена контролируемой жидкостью 10 - той же жидкостью с текущим значением измеряемого физического свойства x (и, соответственно, значением ε). В коаксиальном волноводе 1 эталонная жидкость 9 и контролируемая жидкость 10 на границе их раздела отделены герметично друг от друга тонкой диэлектрической пластиной 11, не препятствующей распространению электромагнитной волны.
кр
В предлагаемом устройстве в коаксиальном волноводе 1 с эталонной жидкостью 8 и контролируемой жидкостью 10 возбуждают через элемент связи 3 с помощью генератора 2 электромагнитные волны на частоте f, меньшей критической частоты f, для этого коаксиального волновода (фиг. 2). Напряженность электрического поля Е при удалении от элемента связи 5, служащего для возбуждения и приема электромагнитных колебаний, спадает в соответствии с соотношением (1). При этом значение Е зависит от физических свойств как эталонной, так и контролируемой жидкостей в коаксиальном волноводе 1. У его другого торца принимаемый сигнал поступает через элемент связи 6 на детектор 7. Затем продетектированный сигнал поступает на регистратор 8 для определения амплитуды Е сигнала, служащей информативным параметром.
0
При отличии измеряемого физического свойства х жидкости от его эталонного значения хо в коаксиальном 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 Е 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. Изменение x относительно его эталонного значения хо 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. 2 имеем значение E амплитуды реактивного электромагнитного поля после распространения в эталонной жидкости:
1
1
где в данном случае l - длина половины коаксиального волновода, Е - значение амплитуды Е после прохождения электромагнитной волной половины длины коаксиального волновода, заполненной эталонной жидкостью.
1
После дальнейшего прохождения электромагнитной волной другой половины длины коаксиального волновода, заполненной теперь уже контролируемой жидкостью, в точке приема (т.е. после прохождения электромагнитной волной всей длины 2l коаксиального волновода) будем иметь:
где
0
0
0
0
0
При ε = ε из формулы (7) следует, что . При ε > ε будем иметь Е(ε) < Е(ε), и зависимость E(ε) имеет при этом монотонно убывающий характер. Соответственно, при ε < ε будем иметь Е(ε) > Е(ε); зависимость Е(ε) имеет при этом монотонно возрастающий характер.
Реализацию данного устройства можно осуществлять и при другом расположении эталонной и контролируемой жидкостей в коаксиальном волноводе: сначала электромагнитная волна распространяется вдоль половины коаксиального волновода с контролируемой жидкостью, а затем вдоль половины коаксиального волновода с эталонной жидкостью (при их полном или идентичном частичном заполнении соответствующей части коаксиального волновода).
Таким образом, данное устройство реализуется достаточно просто на основе коаксиального волновода с возбуждением в нем электромагнитных волн фиксированной частоты. Устройство позволяет с высокой точностью измерять различные физические свойства диэлектрических жидкостей.