КОНЦЕНТРАТОМЕР
CONCENTRATION METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации бинарных смесей различных жидких веществ, перекачиваемых по трубопроводам.
Известны устройства для определения концентрации бинарных смесей различных жидкостей, в частности влагосодержания (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989. С. 168-177). Эти устройства содержат радиоволновые (ВЧ и СВЧ) чувствительные элементы в виде антенн, волноводов, длинных линий, полосковых линий, резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах такие устройства содержат проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде металлических поляризационных решеток, отражающих пластин, запредельных волноводов (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989. С. 173-174). Недостатком таких концентратомеров является невысокая точность измерения при изменении сортности контролируемых веществ, в частности базового вещества в смеси (эмульсии, растворе и др.).
Известно также техническое решение (SU 1497531, 30.07.1989), содержащее трубопровод с перекачиваемым веществом, два проточных объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Указанные резонаторы встроены в трубопровод на его измерительном участке последовательно. Устройство позволяет определять концентрацию (влагосодержание) вещества независимо от его сортности, являющейся функцией электрофизических параметров вещества. Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это контролем разных областей перекачиваемой жидкости, находящихся одновременно в электромагнитном поле двух проточных резонаторов, что заведомо предопределяет снижение точности измерения при изменении сортности (и, следовательно, электрофизических параметров) жидкости.
Известно также техническое решение (RU 2152024, 27.06.2000), содержащее описание устройства, наиболее близкого по технической сущности к предлагаемому концентратомеру и принятое в качестве прототипа. Устройство-прототип содержит первый чувствительный элемент в виде проточного объемного резонатора, установленного на измерительном участке трубопровода с перекачиваемым веществом и подключенного через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подсоединен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору. Оно содержит также высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии со вторым чувствительным элементом в виде нагрузки на одном из его концов, размещенным на измерительном участке, и подключенный к его другому концу блок генерации ВЧ электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений.
Недостатком данного устройства является невысокая точность измерения. Обусловлено это тем, что чувствительный элемент в виде проточного СВЧ-резонатора обеспечивает получение информации об электрофизических параметрах жидкости, которая осреднена по объему этого резонатора. Этот объем может быть относительно большим: как диаметр резонатора, обусловленный значением диаметра трубопровода, так и его длина могут составлять несколько сантиметров. В то же время другой чувствительный элемент в виде ВЧ-резонатора на основе отрезка длинной линии позволяет получать данные о локальных, менее 1 см (вблизи оконечной нагрузки отрезка длинной линии), значениях электрофизических параметров жидкости. Это заведомо предопределяет снижение точности измерения при изменении сортности (и, следовательно, электрофизических параметров) жидкости. Поэтому даже совместная функциональная обработка информативных параметров этих двух чувствительных элементов не позволяет достичь требуемой инвариантности к электрофизическим параметрам базового вещества в контролируемой бинарной смеси жидкостей.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности измерения.
Технический результат в предлагаемом концентратомере достигается тем, что он содержит установленный на измерительном участке трубопровода с перекачиваемой жидкостью высокочастотный измерительный преобразователь, включающий отрезок длинной линии с первым чувствительным элементом в виде нагрузочного сопротивления на одном из его концов, размещенным на измерительном участке в некотором сечении трубопровода, и подключенный к его другому концу блок генерации электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, к выходу которого подсоединен первым входом блок вычислений, подключенный к индикатору, при этом он содержит также установленный на этом же измерительном участке в том же сечении трубопровода сверхвысокочастотный кольцевой резонатор, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен вторым входом блок вычислений. Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 и фиг. 3 изображено поперечное сечение трубопровода в сечении с элементами устройства (два варианта выполнения устройства).
Здесь введены обозначения: 1 - трубопровод с перекачиваемой жидкостью, 2 - отрезок длинной линии, 3 - нагрузочное сопротивление, 4 - блок генерации ВЧ электромагнитных колебаний и регистрации колебательной характеристики отрезка длинной линии, 5 - блок вычислений, 6 - кольцевой резонатор, 7 - СВЧ-генератор, 8 - элемент возбуждения электромагнитных колебаний, 9 - элемент съема электромагнитных колебаний, 10 - блок регистрации частоты электромагнитных колебаний резонатора, 11 - индикатор, 12 и 13 - открытые торцы кольцевого резонатора, 14 и 15 - приемопередающие антенны.
Устройство работает следующим образом.
Элементы конструкции устройства расположены на измерительном участке трубопровода 1 (фиг. 1). В ВЧ-измерительном преобразователе (первом измерительном канале), образованном отрезком длинной линии 2 с подключенным на его конце первым чувствительным элементом - нагрузочным сопротивлением (реактивной нагрузкой) 3, возбуждают электромагнитные колебания в ВЧ-диапазоне (~1-100 МГц). Для возбуждения электромагнитных колебаний в этом отрезке длинной линии и для определения одной из его колебательных характеристик, являющейся первым информативным параметром, служит блок 4.
Сверхвысокочастотный (СВЧ) кольцевой резонатор (второй чувствительный элемент) может быть выполнен в виде волновода 6 с открытыми торцами 12 и 13, расположенными в диаметральной плоскости трубопровода 1 на его измерительном участке и направленными внутрь трубопровода 1 навстречу друг другу (фиг. 2). При этом в области, образуемой волноводом 6 и поперечным сечением трубопровода 1 между открытыми концами волновода 6, в котором находится контролируемая жидкость, имеет место стоячая электромагнитная волна, возбуждаемая в рассматриваемой кольцевой структуре, резонирующей последовательно одной из частот дискретной совокупности частот (спектра) в зависимости от частоты подключенного СВЧ-генератора. В этом кольцевом резонаторе, располагаемом в той же диаметральной плоскости измерительного участка трубопровода 1, что и нагрузочное сопротивление 3 первого (высокочастотного) измерительного канала, с помощью СВЧ-генератора 7 (в диапазоне частот реально ~1-50 ГГц) через элемент возбуждения колебаний 8 возбуждают электромагнитные колебания. Определение второго информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний данного кольцевого резонатора, снимаемых с помощью элемента 9, производят с помощью блока регистрации частоты 10.
В первом измерительном канале в качестве нагрузочного сопротивления отрезка длинной линии могут быть использованы электрическая емкость, индуктивность, металлический штырь. В последнем случае этот штырь может быть образован удлинением внутреннего проводника длинной линии; нагрузочное сопротивление образовано при этом данным штырем и стенкой трубопровода. Для увеличения амплитуды принимаемого сигнала, поступающего с отрезка длинной линии в блок 9, штырь может быть покрыт диэлектрической оболочкой; при этом контролируемая жидкость с произвольными электрофизическими параметрами характеризуется в отрезке длинной линии эффективной диэлектрической проницаемостью двухслойной среды (контролируемой жидкости и оболочки). В ВЧ-измерительном преобразователе, образованном отрезком длинной линии 2 с подключенным на его конце нагрузочным сопротивлением 3, возбуждают электромагнитные колебания в ВЧ-диапазоне (~1-100 МГц). Для возбуждения электромагнитных колебаний в этом отрезке длинной линии и для определения одной из его колебательных характеристик, являющейся первым информативным параметром, служит блок 4.
Измеренные значения обоих информативных параметров поступают с соответствующих блоков 4 и 10 на первый и второй входы блока вычислений 5, соответственно. С его выхода сигнал, полученный в результате совместного преобразования выходных сигналов блоков 4 и 10, поступает на индикатор 11. Этот сигнал соответствует высокоточному значению концентрации бинарной смеси, не зависящему от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) базового вещества этой смеси, степень содержания в котором другого вещества, в частности содержания воды или иного обладающего частотной дисперсией вещества, подлежит определению.
Взаимное расположение реактивной нагрузки 3, например штыря, отрезка длинной линии 2 и открытых торцов 12 и 13 СВЧ кольцевого резонатора на измерительном участке трубопровода 1 может быть произвольным, в частности таким, как это показано на фиг. 2. Здесь все эти элементы расположены в одном и том же диаметральном сечении измерительного участка; нагрузочное сопротивление 3 встроено в стенку трубопровода 1 (нагрузочное сопротивление - штырь 3 пропущен через изолятор в стенке трубопровода 1).
СВЧ кольцевой резонатор может иметь на концах 12 и 13 волновода 6 приемопередающие антенны 14 и 15, соответственно (фиг. 3). Эти антенны установлены в диаметральной плоскости трубопровода 1 на его измерительном участке друг напротив друга и направлены внутрь трубопровода навстречу друг другу и соединяющего их волновода 6. Такая конструкция кольцевого резонатора целесообразна при измерениях в трубопроводе достаточно большого диаметра для концентрации электромагнитной энергии в пределах узкого луча и, тем самым, повышения добротности кольцевого резонатора.
в1
в2
в1
в2
В данном устройстве, как и в других устройствах (SU 1497531, 30.07.1989; RU 2152024, 27.06.2000), принципиальную роль играет наличие частотной дисперсии диэлектрической проницаемости в используемых для измерений частотных диапазонах у хотя бы одного из веществ в их смеси (эмульсии, растворе и др.). При этом другое вещество такой дисперсией может не обладать, что характерно для многих реальных веществ, в частности нефти и нефтепродуктов. Частотной дисперсией в СВЧ-диапазоне обладают, например, вода, спирты, другие полярные жидкости. Так, у воды диэлектрическая проницаемость на частотах менее 100 МГц имеет значение около 80, а на частотах СВЧ-диапазона она значительно ниже (например, ~65 при частотах ~10 ГГц). Контролируемое вещество характеризуется диэлектрической проницаемостью ε(ε, ε, K), где ε и ε - значения диэлектрической проницаемости веществ (обозначено «в1» «в2»), концентрация K смеси (эмульсии, раствора и др.) которых подлежит определению. Для проведения измерений необходимо знание аналитического выражения для ε для двух используемых ВЧ и СВЧ диапазонов частот; в отсутствие такой расчетной зависимости для каких-либо контролируемых веществ она устанавливается экспериментально с последующей ее аппроксимацией соответствующим аналитическим выражением. Расчетные соотношения для конкретных контролируемых веществ приведены в техническом решении (SU 1497531, 30.07.1989).
вх
В качестве информативного параметра в первом (ВЧ) измерительном канале, реализуемом на основе отрезка длинной линии 3, могут быть использованы: резонансная частота ƒ(K) электромагнитных колебаний отрезка длинной линии; входной импеданс Z(K) отрезка длинной линии; фазовый сдвиг Δφ(K) падающих (от генератора к нагрузке) и отраженных (от нагрузки к регистратору) электромагнитных волн.
Осуществляя в блоке вычислений 5 совместное функциональное преобразование двух информативных параметров - одной из колебательных характеристик отрезка длинной линии 2 и резонансной частоты СВЧ кольцевом резонатора 6 и, можно определить с высокой точностью значение концентрации K независимо от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости) одного (базового из веществ в их смеси); это вещество может быть как неполярным диэлектриком, как это рассмотрено в прототипе, так и иметь иные электрофизические параметры. При этом решение составленной системы уравнений для зависимости ε от информативных параметров на двух рабочих частотах ВЧ и СВЧ диапазонов позволяет определить также и значение диэлектрической проницаемости самого базового вещества в смеси веществ и, следовательно, дать характеристику этому веществу, например определить его сортность.
Расположение обоих чувствительных элементов в одной и той же диаметральной плоскости измерительного участка трубопровода позволяет воспринимать информацию о концентрации бинарной смеси в одном и том же сечении трубопровода, что тем самым обеспечивает повышение точности измерений.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет определять концентрацию бинарной смеси (эмульсии, раствора и др.) с высокой точностью независимо от электрофизических параметров (диэлектрической-проницаемости) базового вещества в смеси.