УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА
DEVICE FOR MEASURING PHYSICAL PROPERTIES OF DIELECTRIC SUBSTANCE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств (плотности, концентрации смесей, влагосодержания и др.) различных диэлектрических веществ без диэлектрических потерь и с малыми диэлектрическими потерями, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перемещаемых по трубопроводам.
Известны различные способы и устройства для измерения физических свойств веществ, основанные на определении электрофизических параметров веществ, (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с. С. 168-177). Эти устройства содержат емкостные и радиоволновые чувствительные элементы (конденсаторы, волноводы, резонаторы и др.). Недостатком таких способов и реализуемых на их основе измерительных устройств является невысокая точность, обусловленная достаточно большими габаритами датчиков. Это не позволяет осуществлять локальные измерения интересующих свойств вещества, содержащегося в какой-либо технологической емкости, а дает информацию об их интегральных значениях.
Известно также устройство (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1978. 280 с. С. 42-59, 80-86), которое содержит отрезок длинной линии, пространство между проводниками которого заполняют контролируемой жидкостью. В отрезке длинной линии возбуждают электромагнитные колебаний основного типа ТЕМ в отрезке длинной линии. Измеряя резонансную частоту электромагнитных колебаний отрезка длинной линии, судят об измеряемом физическом свойстве контролируемой жидкости.
Недостатком этого устройства является его ограниченные функциональные возможности, обусловленные функционированием отрезков длинной линии только на основном типе колебаний ТЕМ в мегагерцовом диапазоне частот электромагнитных волн. В этом диапазоне частот имеют место резонансные явления при реальных длинах (в диапазоне от десятков сантиметров до одного метра) отрезков длинной линии, используемых в качестве чувствительных элементов при реализации данного способа. При этом нет возможности проводить измерения физических свойств жидкостей на более высоких частотах гигагерцового диапазона, что требуется, в частности, при инвариантных к сорту жидкости измерениях влагосодержания жидкостей (нефти, нефтепродуктов и др.); в этом диапазоне частот имеет место частотная дисперсия воды, позволяя производить двухчастотные инвариантные измерения (см., например, SU 1497531 А1, 30.07.1989).
Известно также техническое решение (RU 2626458 С1, 28.07.2017), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство содержит резонаторный датчик в виде коаксиального волноводного резонатора, образуемого внутренним проводником и наружным проводником, с торцевыми участками - запредельными волноводами и подсоединенный к этому датчику электронный блок. Недостатком этого устройства является его ограниченные функциональные возможности. Реализация этого устройства связана с требованием сужения наружного проводника коаксиальной линии на хотя бы одном из ее торцевых участков для создания запредельного волновода. Это может быть неприменимым в тех случаях, когда такое сужение недопустимо, в частности, при измерениях в трубопроводах, где наружный проводник коаксиальной линии выполнять предпочтительно того же диаметра, что и диаметр трубопровода.
Техническим результатом настоящего изобретения расширение функциональных возможностей устройства.
mnp
021
mnp
011
Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения физических свойств диэлектрического вещества, содержащем волноводный резонатор с размещенным в его полости контролируемым веществом и подсоединенный к этому волноводному резонатору электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде коаксиального резонатора с одним из его торцевых участков в виде запредельного коаксиального волновода и другим торцевым участком, идентичным первому торцевому участку или выполненным в виде металлической стенки коаксиального резонатора, запредельный коаксиальный волновод имеет наружный проводник того же диаметра, что и диаметр наружного проводника коаксиального резонатора, а внутренний проводник запредельного коаксиального волновода имеет увеличенный диаметр по сравнению с диаметром внутреннего проводника коаксиального резонатора, а в резонаторе возбуждены электромагнитные колебания одного из высших типов H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; р=1, 2, …) коаксиального резонатора, в частности низшего типа H, или типа E (m = 0, 1, 2, …; n=1, 2, …; р =1, 2, …), в частности низшего типа E.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены первый и второй, соответственно, варианты функциональной схемы устройства.
Здесь показаны коаксиальный резонатор 1, внутренний проводник 2, наружный проводник 3, запредельный коаксиальный волновод 4, вещество 5, элемент связи 6, линия связи 7, электронный блок 8, металлическая стенка 9.
Устройство реализуется следующим образом.
1
2
кр
2
На измерительном участке - там, где следует измерять физические свойства диэлектрического вещества - образуют волноводный коаксиальный резонатор при соосном по отношению к внутреннему проводнику расположении наружного проводника. Если на измерительном участке - в волноводном коаксиальном резонаторе - возбуждены колебания в некотором диапазоне частот [ƒ, ƒ], соответствующем изменению физического свойства вещества в измеряемом диапазоне, то необходимо, чтобы геометрические параметры запредельных коаксиальных волноводов на этих частотах были такими, при которых критическая частота ƒ их возбуждения была выше максимальной частоты ƒ диапазона изменения частоты коаксиального резонатора. Тогда излучение электромагнитных волн за пределы измерительного участка будет отсутствовать, а в полости коаксиального резонатора, при контроле диэлектрического вещества без диэлектрических потерь и с малыми диэлектрическими потерями, как у большинства диэлектрических жидкостей, будут существовать высокодобротные электромагнитные колебания.
кр
11
крH11
1
2
1
2
01
крE01
2
1
Высший тип волны в коаксиальной линии, характеризующийся наибольшей критической длиной волны λ, есть H, начиная с длин волн λ>λ ≈ π(R+R), где R и R - радиусы, соответственно, внутреннего и внешнего проводников линии. Затем следует тип поля Е, начиная с λ>λ ≈ π(R-R) и т.д.
m1p
111
111
В устройстве-прототипе при возбуждении на измерительном участке - коаксиальном резонаторе, в пределах которого внутренний проводник имеет увеличенный диаметр, - электромагнитных колебаний на одном из высших типов H (m=1, 2, 3, …; р=1, 2, 3…), в частности, на первом из высших типов H, существующих в коаксиальном резонаторе, такой участок представляет собой объемный резонатор, ограниченный с обеих сторон коаксиальными волноводами, запредельными для волн на частотах, выше некоторой критической частоты, соответствующей возбужденному типу колебаний H.
p
Собственная (резонансная) частота ƒ такого коаксиального резонатора близка к собственной частоте закрытого коаксиального резонатора и может быть оценена по формуле (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат.1989. 208 с. С. 71-72):
где  - длина резонатора; р=0, 1, 2, …; с - скорость света.
p0
p
p0
При полном заполнении полости рассматриваемого коаксиального резонатора контролируемым диэлектрическим веществом с диэлектрической проницаемостью ε в формуле (1) значение  где ƒ - значение резонансной частоты согласно формуле (1). При ε=1 имеем ƒ=ƒ, что соответствует отсутствию вещества в полости коаксиального резонатора. Диэлектрическая проницаемость ε, в свою очередь, функционально связана с тем или иным физическим свойством вещества (плотностью, концентрацией смеси, влагосодержанием и др.).
111
Формула (1) при работе на колебаниях типа Н принимает вид
В зависимости от возбуждаемых типов колебаний возможны следующие конструктивные особенности устройства, которые рассмотрим для устройства-прототипа и для предлагаемого устройства.
m1p
111
крH11
1. Конструктивные особенности устройства-прототипа. Колебания типа H (m=1, 2, 3…; р=1, 2, 3, …), среди которых низший тип есть H с собственной частотой, определяемой формулой (2). В этом случае имеем следующее выражение для критической длиной волны λ (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот.М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 45-46):
кр
1
2
1
Особенностью волн этих H-типов, характеризующихся произвольным первым индексом m, но вторым индексом 1, является наличие в формуле для λ суммы радиусов R и R. Именно это определяет, как нетрудно видеть, увеличение внутреннего диаметра 2R проводника коаксиального резонатора по сравнению с диаметром запредельных коаксиальных волноводов в устройстве-прототипе.
2
кр
В самом деле, условие ƒ<ƒ можно записать с учетом (1) и (3) в следующем виде:
или, после преобразований
Здесь R - радиус внутреннего проводника коаксиального запредельного волновода на торцевых участках резонатора.
1
Поскольку второй член (дробь) произведения в правой части данного неравенства меньше единицы, то оно выполняется, если R<R.
mnp
2. Конструктивные особенности предлагаемого устройства. Колебания типов H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; р=1, 2, …), для которых критическая длина волны есть (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот.М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 45-46)
mnp
и колебания типов E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; р=1, 2, …), для которых критическая длина волны есть
1
1
mnp
В этом случае должно быть R>R (фиг. 1), т.е. соотношение R и R противоположно тому, которое имеет место для колебаний типа H в коаксильном резонаторе: диаметр внутреннего проводника коаксиального резонатора должен быть меньше диаметра внутреннего проводника запредельного коаксиального волновода на с обеих торцов коаксиального резонатора. Покажем это.
кр
2
1
Общим для рассматриваемых здесь волн и колебаний Н- и E-типов является, как видно из формул (6) и (7), зависимость (пропорциональность) λ от разности радиусов R и R (ранее от их суммы, формула (3)).
2
кр
В данном случае условие ƒ<ƒ принимает следующий вид:
mnp
для колебаний типа H в резонаторе;
mnp
для колебаний типа E в резонаторе.
Эти неравенства имеют сходный характер (отличаются только коэффициентами: (n-1) в первом случае и n во втором случае), поэтому достаточно продолжить рассмотрение лишь одного из этих неравенств, например, (8) Из (8) после преобразований получим
1
Отсюда видно, что, поскольку второй член (дробь) произведения в правой части данного неравенства меньше единицы, то должно быть R<R, что и требовалось доказать.
mnp
021
mnp
011
111
Следовательно, в предлагаемом устройстве, работающем на колебаниях типа H (m=0, 1, 2, …; n=2, 3, …; р=1, 2, …) коаксиального резонатора, среди которых низший тип есть H, или типа E (m=0, 1, 2, …; n=1, 2, …; р=1, 2, …), среди которых низший тип есть E, внутренний проводник коаксиального резонатора должен иметь уменьшенный диаметр. При этом условий для возбуждения в коаксиальном резонаторе высокодобротных колебаний типа Н, как в устройстве-прототипе, не имеется.
Отметим, что предлагаемое устройство работоспособно именно на одном из высших типов колебаний в рассматриваемом коаксиальном резонаторе, так как колебания в нем на основном типе ТЕМ характеризуются весьма малой добротностью (торцевые "скачки" радиусов малы для наблюдения резонансных импульсов).
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства, применимого для измерения физических свойств диэлектрического вещества, перемещаемого по трубопроводу. Это устройство содержит резонаторный датчик в виде волноводного коаксиального резонатора 1, образуемого внутренним проводником 2 и наружным проводником 3, с торцевыми участками - запредельными коаксиальными волноводами 4, контролируемое вещество 5, элемент связи 6, линию связи 7, электронный блок 8. Здесь резонаторный датчик может быть как проточным при его встраивании в трубопровод при проведении измерений физических свойств перемещаемого вещества, в частности жидкости (фиг. 1), так и может быть в виде емкости (измерительной ячейки) с контролируемым веществом 5 (фиг. 2). Проточный датчик представляет собой волноводный коаксиальный резонатор 1 открытого типа в виде отрезка коаксиальной линии с сопряженными с ним на его обоих торцах отрезками запредельных коаксиальных волноводов 4 (фиг. 1). В коаксиальном резонаторе 1 возбуждают электромагнитные колебания. Возбуждение и съем колебаний в коаксиальном резонаторе, в также измерение собственной (резонансной) частоты колебаний, изменяющейся при изменении физических свойств вещества 5, и ее преобразование в выходной сигнал осуществляют через элемент связи 6 (металлический штырь, петля связи), подсоединенный к коаксиальному резонатору 1, и линию связи 7 с помощью электронного блока 8. Число элементов связи (один или два) определяется применяемой схемой измерения; на данном рисунке показано возбуждение колебаний в коаксиальном резонаторе и их съем с помощью одного металлического штыря.
На фиг. 2 приведена функциональная схема устройства, применимого для измерения физических свойств диэлектрического вещества в металлической емкости с контролируемым веществом. В данном случае один из торцевых отражателей, которым ранее являлся нижний запредельный коаксиальный волновод 4, заменен на металлическую стенку 9 коаксиального резонатора 1 - дно измерительного участка (измерительной ячейки).
p
В устройствах на фиг. 1 и фиг. 2 чувствительность их датчиков - коаксиальных резонаторов 1 - имеет максимально возможную величину, определяемую значением резонансной частоты ƒ коаксиального резонатора, весь объем которого заполнен контролируемым веществом. Выбором габаритов коаксиального резонатора (длины резонатора и диаметров его проводников) можно в широком диапазоне изменять, при необходимости, диапазон рабочих частот устройства.
p
кр
В устройстве на фиг. 1, предназначенном для измерений в трубопроводе, диэлектрических разделителей для перемещений вещества вдоль трубопровода нет принципиально. При наличии в трубопроводе диэлектрического вещества как резонансная частота ƒ коаксиального резонатора 1, так и критическая частота ƒ запредельного коаксиального волновода 4 с каждой стороны коаксиального резонатора 1 уменьшается одинаково, в раз:  (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот. М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 16-18, 64-69). Так что соотношения (8)-(10) для выбора поперечных размеров коаксиального резонатора 1 и каждого из запредельных коаксиальных волноводов 4 не изменяется при заполнении трубопровода диэлектрическим веществом.
p
кр
кр
p
p
кр
В устройстве для измерения физических свойств диэлектрического вещества в металлической емкости (фиг. 2) наличие или отсутствие диэлектрического разделителя в верхней части емкости (коаксиального резонатора 1) непринципиально с точки зрения реализации устройства. Резонансная частота ƒ коаксиального резонатора 1, как и критическая частота ƒ запредельного коаксиального волновода 4, изменяется (уменьшается) в  раз при заполнении диэлектрическим веществом (монография: Милованов О.С., Собенин Н.П. Техника сверхвысоких частот.М.: Атомиздат.1980. 464 с. С. 16-18, 64-69). При этом соотношение поперечных размеров коаксиального резонатора 1 и запредельного коаксиального волновода 4 определяется формулами (8)-(10). Более того, при наличии ограничителя в верхней части коаксиального резонатора 1 не уменьшает критическую частоту ƒ запредельного коаксиального волновода 4, в то время как резонансная частота ƒ резонатора 1 уменьшается в  раз. В результате, требуемое условие ƒ<ƒ выполняется лучше, чем при отсутствии диэлектрического разделителя для вещества в верхней части полости коаксиального резонатора 1.
Таким образом, данное устройство реализуемо на основе коаксиального резонатора без уменьшения диаметра наружного проводника запредельных коаксиальных волноводов на торцевых участках коаксиального резонатора. Устройство позволяет производить измерения различных физических свойств диэлектрических веществ как в емкостях (измерительных ячейках и др.), так и перемещаемых по трубопроводам.