СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ
METHOD 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 их электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) 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).
Известен также способ измерения физической величины, в частности, физических свойств жидкости, заключающегося в возбуждении электромагнитных волн в волноводном резонаторе, размещении контролируемого объекта в волновом поле одного из торцевых участков волноводного резонатора и определении одной из характеристик стоячей электромагнитной волны в нем (RU 2473889 С1, 27.01.2013). При этом в волновом поле другого торцевого участка размещают идентичный объект 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. Устройство становится неработоспособным при отсутствии возможности образования стоячей волны в волноводе.
Известен также способ измерения физических свойств жидкости (RU 2626409 С1, 27.07.2017), заключающийся в возбуждении электромагнитных волн в полом волноводе 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. В волноводе возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты на одном из его торцов, при этом частоту электромагнитных волн выбирают ниже критической частоты волновода. На другом его торце измеряют амплитуду напряженности электрического поля, по которой судят о физических свойствах жидкости.
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.
11
11
Технический результат достигается тем, что в способе измерения физических свойств диэлектрической жидкости, заключающемся в возбуждении электромагнитных волн в каждом из двух коаксиальных волноводов, заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, расположенных соосно и образованных совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, при этом внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из коаксиальных волноводов, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого коаксиального волновода, в каждом из двух коаксиальных волноводов на одном из его торцов возбуждают электромагнитные волны типа Н фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты волн типа Н соответствующего коаксиального волновода, на этом же или другом его торце измеряют амплитуду напряженности электрического поля и по соотношению измеряемых амплитуд в двух коаксиальных волноводах судят об измеряемом физическом свойстве диэлектрической жидкости.
Предлагаемый способ поясняется чертежом, где приведена схема устройства, поясняющая принцип измерения с применением предлагаемого способа.
На чертеже показаны коаксиальные волноводы 1 и 2, внутренний проводник 3, внутренний и внешний цилиндры 4 и 5, элементы связи 6 и 7, 8 и 9, генератор 10, детектор 11, генератор 12, детектор 13, функциональный преобразователь 14.
Один из чувствительных элементов - коаксиальный волновод 1 - образован совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндра 4 и внешним цилиндром 5, а другой чувствительный элемент - коаксиальный волновод 2 - совокупностью внутреннего проводника 3 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 4. Пространство между проводниками одного из этих коаксиальных волноводов заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого параметра (физического свойства), а пространство между проводниками другого коаксиального волновода заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе. С помощью элемента связи 8 коаксиальный волновод 1 подсоединен к генератору 12 фиксированной частоты, а с помощью элемента связи 9 - к детектору 13. С помощью элемента связи 6 коаксиальный волновод 2 подсоединен к генератору 10 фиксированной частоты, а с помощью элемента связи 7 - к детектору 11. Выходы детекторов 11 и 13 подключены к соответствующим входам функционального преобразователя 14. Способ реализуется следующим образом.
11
11
Способ заключается в применении двух измерительных каналов, каждый из которых содержит коаксиальный волновод. В каждом из этих двух коаксиальных волноводов, заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, возбуждают электромагнитные волны фиксированной частоты. Эти коаксиальные волноводы расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, при этом внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из коаксиальных волноводов, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого коаксиального волновода. В каждом из двух коаксиальных волноводов, содержащихся в измерительных каналах, возбуждают электромагнитные волны типа Н фиксированной частоты, которую выбирают ниже критической частоты волн типа Н соответствующего коаксиального волновода, электромагнитные волны в каждом коаксиальном волноводе возбуждают на одном из его торцов, на этом же или другом торце, измеряют амплитуду напряженности электрического поля. По соотношению амплитуд в двух коаксиальных волноводах судят об измеряемом физическом свойстве диэлектрической жидкости.
При заполнении жидкостью пространства между проводниками коаксиальных волноводов 1 и 2 изменяется величина измеряемого информативного параметра - амплитуды принимаемого сигнала - в зависимости от диэлектрической проницаемости г контролируемой жидкости. Величина ε функционально связана с измеряемым параметром (физическим свойством жидкости). Данные чувствительные элементы (коаксиальные волноводы 1 и 2) функционируют независимо друг от друга; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния.
1
2
0
0
Пусть для определенности коаксиальный волновод 1 заполняется контролируемой жидкостью, а коаксиальный волновод 2 - эталонной жидкостью. Тогда соответствующие значения Е и Е являются функциями измеряемого параметра х (физического свойства жидкости) и его номинального значения х. Значения х и х зависят от электрофизических параметров, соответственно, контролируемой и эталонной жидкостей.
кр
11
11
В предлагаемом способе производят возбуждение электромагнитных волн в каждом из двух коаксиальных волноводов на частоте, которая ниже критической частоты ƒ каждого коаксиального волновода для одного из высших типов волн в нем, а именно, низшего типа волн Н в коаксиальном волноводе. Отметим, что предлагаемый способ работоспособен именно на одном из высших типов волн, в частности, на низшем типе волн H в рассматриваемых коаксиальных волноводах, так как волны в них на основном типе ТЕМ характеризуются отсутствием указанного распределения реактивного поля вдоль коаксиальных волноводов.
кр
кр
11
кр
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. 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 = 2πƒ, ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрического вещества в волноводе, с - скорость света. Выбирая соотношение между ƒ и ƒ, можно управлять величиной α.
Поскольку существует зависимость ослабления электрического поля в волноводе от диэлектрической проницаемости жидкости в нем (формула (2)), то измерительные каналы для реализации способа измерения физических свойств жидкости могут быть построены с применением рассматриваемых коаксиальных волноводов 1 и 2. Возбуждение электромагнитных волн фиксированной частоты в каждом коаксиальном волноводе осуществляется с помощью генератора фиксированной частоты через элемент связи. Другой элемент связи электромагнитных волн расположен на том же торце коаксиального волновода, как показано на чертеже. При этом ослабевающее реактивное поле принимают на удвоенном расстоянии  вдоль коаксиального волновода длиной  (при прямом пути длиной  от элемента связи до короткозамкнутого нижнего конца коаксиального волновода и обратном пути длиной  от этого нижнего конка до элемента связи). Принимаемые волны поступают на детектор, подсоединенный к одному из входов функционального преобразователя. К его другому входу подсоединен выход детектора другого измерительного канала. В другом варианте реализации устройства для реализации предлагаемого способа элемент связи для приема ослабевающего реактивного поля и подсоединенный к нему детектор располагают на другом торце коаксиального волновода (не показано). В этом случае прием ослабевающего реактивного поля осуществляют на расстоянии  вдоль коаксиального волновода.
кр
Если частота ƒ генератора меньше критической частоты ƒ данного коаксиального волновода, то амплитуда напряженности Е электрического поля, являющаяся информативным параметром, в точке приема есть
0
где  Е - амплитуда напряженности поля в области возбуждения электромагнитных волн в рассматриваемом коаксиальном волноводе (т.е. в области расположения связи),  - длина коаксиального волновода. В формуле (3) учтено, что ослабевающее электрическое регистрируют на удвоенном расстоянии 21 при прямом пути длиной  от элемента связи до короткозамкнутого нижнего конца коаксиального волновода и обратном пути длиной  от этого нижнего конка до элемента связи (фиг. 1).
m1
11
кр
В коаксиальном волноводе среди возможных возбуждаемых волн типа H (m = 1, 2, 3 …) низший тип есть Н. В этом случае имеем следующее выражение для критической частоты ƒ (монография: Милованов О.С, Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 45-46):
1
2
кр
1
2
где D и D - значение соответственно диаметра внутреннего проводника коаксиального волновода и внутреннего диаметра его наружного проводника (это относится к каждому из коаксиальных волноводов 1 и 2). Особенностью волн этих Н-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m = 1, 2, 3 …, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для ƒ суммы диаметров D и D.
1
2
11
кр
Например, при D = 10 мм, D = 50 мм для волн типа Н будем иметь ƒ = 1,67 ГГц.
При ƒ = 1 ГГц будем иметь  Следовательно, информативный параметр Е(ε) при  = 100 мм имеет, согласно (4), величину
Длина  измерительного участка, частота ƒ генератора выбираются с учетом диаметров проводников каждого коаксиального волновода 1 и 2, электрофизических параметров контролируемой жидкости и диапазона их изменения. Для коаксиальных волноводов конкретных размеров выбором частоты ƒ 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.
1
2
1
2
При отличии измеряемого физического свойства х жидкости от его эталонного значения хо в коаксиальных волноводах 1 и 2, соответственно, происходит разное изменение амплитуды Е напряженности ослабевающего реактивного электромагнитного поля, убывающего при удалении от возбуждающего элемента, причем это уменьшение амплитуды соответствует функциональной зависимости (3). При этом амплитуда Е, являющаяся в каждом измерительном канале информативным параметром, в точке приема зависит от условий распространения убывающего реактивного электромагнитного поля как в коаксиальном волноводе 1, заполненной контролируемой жидкостью, так и в коаксиальном волноводе 2, заполненном эталонной жидкостью. Изменение значения х (в коаксиальном волноводе 1) относительно его эталонного значения хо (в коаксиальном волноводе 2) приводит к разным значениям Е в двух измерительных каналах, содержащих коаксиальные волноводы 1 и 2. Значения амплитуд Е и Е на выходе детекторов 13 и 11, соответственно, поступают в блок 14 для совместной функциональной обработки с целью определения значения измеряемого физического свойства жидкости. На выходе функционального преобразователя 14, на входы которого поступают про детектированные сигналы (с выходов детекторов 13 и 11) из коаксиальных волноводов 1 и 2, получают выходной сигнал, по которому судят о значении измеряемого физического свойства жидкости по отличию значений амплитуд Е и Е, в частности по их разности.
Таким образом, данный способ реализуется достаточно просто на основе двух коаксиальных волноводов с возбуждением в них электромагнитных волн фиксированной частоты. Способ позволяет с высокой точностью измерять различные физические свойства диэлектрических жидкостей.