УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации смеси веществ, влагосодержания и др.) веществ (жидкостей, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам.
Известны различные устройства для измерения физических свойств веществ, основанные на измерении их электрофизических параметров, в частности диэлектрической проницаемости, с применением резонаторных датчиков, построенные с применением объемных СВЧ-резонаторов (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.).
В частности, в датчиках в виде отрезков волноводов в качестве чувствительных элементов возможно использование одной из торцевых областей (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. Стр. 37-144). В зависимости от электрофизических параметров контролируемого вещества изменяется тот или иной информативный параметр датчика: его собственная (резонансная) частота электромагнитных колебаний, амплитуда (мощность) напряженности поля стоячей волны в каком-либо сечении вдоль волновода, положение экстремума, например минимума, напряженности поля стоячей волны и др.
Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. 280 с. Стр. 59-64), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит волновод, оконечной нагрузкой которого является чувствительный элемент в виде торцевой части этого волновода, заполняемой контролируемой жидкостью. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения, обусловленная малой степенью изменения информативного параметра устройства, в частности резонансной частоты волноводного резонатора на основе указанного волновода, при изменении измеряемого физического свойства жидкости.
Техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства за счет повышения чувствительности устройства и, как следствие, точности измерения.
Технический результат в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем волноводный резонатор с торцевой областью в качестве чувствительного элемента, заполняемого контролируемой жидкостью, и подсоединенный к волноводному резонатору электронный блок, достигается тем, что ко второму торцу волноводного резонатора одним плечом подсоединен трехплечий циркулятор, два других плеча которого соединены волноводом или короткозамкнуты.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена эквивалентная схема устройства.
На фиг. 2 показана траектория распространения электромагнитных волн в резонаторе предлагаемого устройства.
На фиг. 3 и 4 изображены варианты схемы устройства, в конструкции которых два плеча трехплечевого циркулятора, соответственно, короткозамкнуты и соединены между собой волноводом.
Здесь показаны волновод 1, торцевая область 2, жидкость 3, циркулятор 4, плечи циркулятора 5, 6 и 7, элемент связи 8, электронный блок 9, волновод 10. Устройство работает следующим образом.
В эквивалентной схеме устройства (фиг. 1) волновод 1 имеет с каждого его торца соответствующий чувствительный элемент - торцевую область 2, содержащую контролируемой жидкость 3. В то же время в эквивалентной схеме устройства-прототипа волновод 1 имеет только один чувствительный элемент - одну торцевую область 2 с контролируемой жидкостью 3.
0
Сравним значения изменения Δƒ собственных частот ƒ волноводных резонаторов в виде отрезка волновода 1 с одним и двумя торцевыми областями 2 при введении в их  полости диэлектрической жидкости 3 объемом V<<V. В случае резонатора с одной торцевой областью 2, заполняемой жидкостью 3 с диэлектрической проницаемостью ε, имеем (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. Стр. 37-144)
в случае же резонатора с двумя торцевыми областями 2, заполняемыми диэлектрической жидкостью 3 одинакового объема V,
Сравнение (1) и (2) свидетельствует о вдвое большем во втором случае значении величины Δƒ, то есть чувствительность устройства с эквивалентными двумя чувствительными элементами - двумя торцевыми областями 2 волновода 1, содержащими контролируемую жидкость 3, в два раза выше, чем у устройства-прототипа с одной торцевой областью волновода с контролируемой жидкостью. Подключение и ко второму волновода 1 торцевой области 2, содержащей контролируемую жидкость 3, позволяет проводить измерение ее физических свойств с существенно более высокой чувствительностью и, следовательно, точностью измерения.
На фиг. 2 показана траектория распространения электромагнитных волн в предлагаемым устройстве, где обеспечивается совмещение торцевых областей 2 волновода 1 при наличии удвоенного значения чувствительности устройства по сравнению с устройством-прототипом. Здесь в схеме устройства содержится волноводный резонатор с одним чувствительным элементом в виде одной торцевой области с контролируемой жидкостью (нагрузочным сопротивлением). Здесь одна и та же торцевая область 2 волновода 1 служит оконечной нагрузкой волноводного резонатора. В отличие от устройства-прототипа, теперь контролируемую жидкость 3 зондируют в одной и той же области 2 на одном и том же торце волновода 1. Теперь электрическая длина волноводного резонатора определяется расстоянием, проходимым электромагнитной волной в каждом из направлений между двумя последовательными отражениями от одной и той же оконечной нагрузки (торцевой области 2 с контролируемой жидкостью 3).
На фиг. 3 и фиг. 4 приведены первый и второй варианты схемы предлагаемого устройства, соответственно. Здесь в волноводе 1 на одном из двух его торцов имеется торцевая область 2, заполняемая контролируемой жидкостью 3. К другому торцу волновода 1 подсоединен трехплечий циркулятор 4 одним его плечом 5. Два других плеча 6 и 7 циркулятора 4 замкнуты накоротко (схема на фиг. 3) или соединены между собой волноводом 10 (схема на фиг. 4). В каждой из этих схем образован волноводный резонатор с единой торцевой нагрузкой - торцевой областью 2 волновода 1. С помощью элемента связи 8 с помощью электронного блока 9 в данном резонаторе возбуждают электромагнитные колебания на одной, в частности основной, резонансной частоте, и измеряют ее значение, которое является функцией измеряемого физической свойства (плотности, концентрации смеси, влагосодержания и др.) контролируемой жидкости 3.
Подсоединение волноводного резонатора на фиг. 3 и фиг. 4 к электронному блоку 9 - блоку генерации электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты -осуществляется с помощью одного (как показано на фиг. 3 и фиг. 4) элемента связи 8 или двух отдельных элементов связи (для раздельного возбуждения и съема колебаний), располагаемых на этом волноводном резонаторе. В конструкции волноводного резонатора на фиг. 3 такой элемент связи 8 (или два отдельных элемента связи, они не показаны на фиг. 2,б) может располагаться, как показано, на волноводе 1, а в конструкции волноводного резонатора на фиг. 4 - на волноводе 10. Введение в схему устройства (фиг. 4) волновода 10, соединяющего два плеча 6 и 7 трехплечевого циркулятора 4 в волноводном резонаторе, дает возможность регулировать электрическую длину резонатора, а также позволяет располагать элемент связи 8 (или раздельные элементы возбуждения и съема колебаний) в резонаторе на этом волноводе 10, что может быть удобным на практике.
Схемы включения данного волноводного резонатора в состав устройства могут быть различными, в том числе и в виде частотозадающего элемента автогенератора, содержащегося в электронном блоке 9. Вопросы измерения и преобразования информативных параметров датчиков рассматриваемого типа освещены в литературе (см., например, монографию: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. 280 с.).
Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет организации в волноводном резонаторе одновременного зондирования одной и той же области - торцевой области волновода с контролируемой жидкостью, служащей чувствительным элементом, достигается увеличение чувствительности и, как следствие, повышение точности измерения. Данное устройство может быть применено для измерения различных физических свойств жидкостей в измерительных ячейках (при отборе пробы вещества), а также при измерениях в технологических емкостях и в трубопроводах, по которым перемещаются контролируемые жидкости.