УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ
METHOD OF MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF 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.). 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 (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. Стр.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 (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.258-268).
Известно также техническое решение (патент РФ №2285913, МПК: G01N 22/00, G01R 27/26), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип 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, имеются линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительного канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора.
Недостатком этого устройства-прототипа 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).
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых соответственно контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, достигается тем, что отрезки коаксиальной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной линии. В данном устройстве линией связи каждого измерительных канала может являться отрезок длинной линии, а чувствительный элемент может являться его оконечной нагрузкой.
Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, соосное расположение отрезков коаксиальной линии и их образование совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника; во-вторых, использование внутренней поверхности внутреннего цилиндра в качестве наружного проводника одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружной поверхности - в качестве внутреннего проводника другого отрезка коаксиальной линии; в-третьих, использование в качестве линии связи каждого измерительного канала соответствующего отрезка длинной линии, а в качестве чувствительного элемента - его оконечной нагрузки в виде отрезка коаксиальной длинной линии.
Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность контроля одной и той же области контролируемой жидкости, находящейся при одинаковых внешних условиях (температуре, давлении и др.).
Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели изобретения.
На фиг.1,а и фиг.1,б изображена функциональная схема устройства, соответственно, при отсутствии и наличии диэлектрических оболочек на проводниках отрезков коаксиальной линии. На фиг.2 - функциональная схема устройства, в которой линией связи каждого измерительных канала является отрезок длинной линии, а соответствующий чувствительный элемент является его оконечной нагрузкой.
Здесь введены обозначения: 1 и 2 - отрезки коаксиальных линий, 3 и 4 - внутренний и внешний цилиндры, 5 - внутренний проводник, 6 и 7 - линии связи, 8 и 9 - электронные блоки, 10 - функциональный преобразователь, 11 и 12 - диэлектрические оболочки.
Один из чувствительных элементов - отрезок коаксиальной линии 1 - образован совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндра 3 и внешним цилиндром 4, а другой чувствительный элемент - отрезок коаксиальной линии 2 - совокупностью внутреннего проводника 5 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3 (фиг.1,а). Пространство между проводниками одного из этих отрезков коаксиальной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого параметра (физического свойства), а пространство между проводниками другого отрезка коаксиальной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе. С помощью проводников линии связи 6 отрезок коаксиальной линии 1 подсоединен к электронному блоку 8, а с помощью проводников линии связи 7 отрезок коаксиальной линии 2 подсоединен к электронному блоку 9. Выходы электронных блоков 8 и 9 подключены к входу функционального преобразователя 10.
Устройство работает следующим образом.
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 / 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; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния, поскольку подключение линий связи 6 и 7 к внутреннему цилиндру 3 в его верхней части осуществляется с его разных сторон.
1
2
С помощью электронных блоков 8 и 9 производят измерение значений f и f основной резонансной частоты электромагнитных колебаний, отрезков коаксиальных линий (коаксиальных резонаторов) 1 и 2 соответственно. В частности, каждый из отрезков коаксиальных линий 1 и 2 может быть включен в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора, которым в данном случае является блок 8 и 9, и определяет его частоту генерации. Эти частоты поступают в блок 10 для совместной функциональной обработки с целью измерения величины измеряемого параметра.
1
2
0
0
Пусть для определенности отрезок коаксиальной линии 1 заполняется контролируемой жидкостью, а отрезок коаксиальной линии 2 - эталонной жидкостью. Тогда значения ƒ и ƒ являются функциями измеряемого параметра x (физической величины) и его номинального значения x. Значения x и x зависят от электрофизических параметров соответственно контролируемой и эталонной жидкостей.
1
2
0
1
2
Поскольку отрезки коаксиальных линий 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 блоке 10 значений частот ƒ и ƒ, соответствующих измеряемому значению x и эталонному значению x и определяемых в электронных блоках 8 и 9, не зависит от температуры, а только от величины измеряемого параметра. Чаще всего блок 10 - это вычитающее устройство с определением разности частот ƒ и ƒ. При этом возможно с высокой точностью измерять малые изменения (доли процента) измеряемого параметра x.
Для контроля жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками, целесообразно, для повышения добротности резонаторов, покрывать их проводники диэлектрическими оболочками; в коаксиальных резонаторах целесообразно покрыть такими оболочками их внутренние проводники, где сконцентрирована энергия электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. Стр.125-131). В данном случае в отрезке коаксиальной линии 1 для этой цели диэлектрической оболочкой покрыта наружная поверхность внутреннего цилиндра 3, которая соответствует внутреннему проводнику коаксиального резонатора 1 (фиг.1,б). В отрезке коаксиальной линии 2 диэлектрической оболочкой покрыт внутренний проводник 5.
Данное устройство (фиг.1,б) целесообразно, в частности, применять для определения концентрации смесей (растворов), по меньшей мере, один из компонентов которых является несовершенным диэлектриком с большим процентным содержанием в смеси. Так это устройство позволяет определять весьма малое содержание (доли процента) примесей в воде, являющейся несовершенным диэлектриком.
10
20
1
2
10
20
0
1
2
0
Отрезки коаксиальных линий 1 и 2 могут иметь одинаковые начальные (в отсутствие жидкостей) значения ƒ и ƒ резонансных частот ƒ и ƒ электромагнитных колебаний. Это относится к их конструкциям, изображенным как на фиг.1,а, так и на фиг.1,б. При равенстве ƒ и ƒ их разность, определяемая в блоке 10, равна нулю как в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей, так и наличии одной и той же жидкости (т.е. при начальных условиях x=x) в обоих отрезках коаксиальных линий 1 и 2. В этом случае разность частот ƒ и ƒ соответствует только изменению x-x измеряемого параметра x, что особенно важно при проведении высокоточных измерений малых значений содержания одной жидкости в смеси жидкостей (растворе).
l
10
20
1
2
1
2
Для конструкции на фиг.1,а такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной l отрезков коаксиальных линий 1 и 2 и выбором соотношения диаметров проводников 3, 4 и 5 отрезков коаксиальных линий 1 и 2, а для конструкции на фиг.1,б - выбором соотношения как диаметров этих проводников, так и толщин диэлектрических оболочек на внутреннем цилиндре 3 и внутреннем проводнике 5. Такой выбор может быть сделан, зная погонные значения (т.е. на единицу длины линии) электрической емкости C отрезков коаксиальных линий при отсутствии и наличии диэлектрических оболочек на их проводниках. При одинаковой длине l отрезков коаксиальных линий 1 и 2 соотношение ƒ=ƒ обеспечивается при равенстве погонных значений электрических емкостей C и C отрезков коаксиальных линий 1 и 2 (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. - М.: Наука. 1978. Стр.125-131). Для конструкции на фиг.1,а электрические емкости C и C отрезков коаксиальных линий 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:
0
1
2
3
4
10
20
1
2
3
4
9
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 внутреннего проводника. Следовательно, ƒ=ƒ, что соответствует следующему соотношению: d/d=d/d.
1
2
Для конструкции на фиг.1,б электрические емкости C и C отрезков коаксиальных линий 1 и 2 выражаются следующими соотношениями:
5
6
п
где d и d - соответственно, диаметр наружный диаметр внутреннего цилиндра с диэлектрической оболочкой и диаметр внутреннего проводника с диэлектрической оболочкой, ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала оболочки.
10
20
1
2
Следовательно, ƒ=ƒ, если C=C; для этого, как следует из этих формул, должно быть:
.
При проведении измерений отрезки коаксиальных линий 1 и 2 могут быть также включены как оконечные нагрузки линий связи, которыми служат при этом отрезки длинных линий 13 и 14, в частности коаксиальных кабелей (фиг.2). Такое подключение может быть целесообразно при необходимости дистанционного расположения электронных блоков относительно контролируемого объекта. В данном случае информативными параметрами измерительных каналов могут служить резонансные частоты этих отрезков длинных линий 13 и 14, определяемые в электронных блоках 8 и 9. Величину измеряемого параметра определяют после совместной функциональной обработки выходных сигналов блоков 8 и 9 в блоке 10.
Таким образом, данное устройство позволяет с высокой точностью измерять физические свойства различных жидкостей. Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности изменений температуры, имеющих разное значение (градиент) в контролируемой области.