СВЧ-СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ
MICROWAVE METHOD OF DETERMINING MOISTURE OF ORGANIC SUBSTANCES

Изобретение относится к способам определения влажности твердых и жидких преимущественно органических образцов. Оно может найти применение в промышленности и лабораторной практике, в частности для определения влажности жидких органических соединений, таких как бензин, керосин, в том числе и авиационный, машинное, трансформаторное масло и т.п.
Известен СВЧ-способ определения твердых и жидких образцов, основанный на методе свободного пространства [см. Берлинер М.А. Измерение влажности/М.А.Берлинер. - М.: Энергия, 1973. - 345 с.]. Данный способ можно разделить на две модификации:
- с использованием проходящей волны;
- с использованием отраженной волны.
В обеих модификациях измеряемой характеристикой служит коэффициент передачи или коэффициент отражения проходящей или отраженной волны.
Недостатком известного способа является сложная и дорогостоящая аппаратная реализация способа.
010
011
За прототип принят резонаторный способ [см. Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. - М.: Машиностроение, 1995. - 487 с.], при котором исследуемый образец строгой формы и размера помещают в полость объемного резонатора (ОР), возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) определенной пространственной структуры. В цилиндрическом ОР (ЦОР) с колебанием типа Е образец в виде цилиндрического стержня малого диаметра вводят вдоль оси; в ЦОР с колебанием Н образцы большего диаметра и с большими потерями, имеющие форму цилиндра, катушек, пучков нитей и т.п., устанавливают вдоль оси резонатора, а образцы в виде тонких плоских дисков располагают перпендикулярно оси.
0
0
0
0
Выходными величинами первичного измерительного преобразователя (ПИП) служат вызванные введением исследуемого материала изменения параметров резонатора: резонансной частоты Δf=f-f и добротности ΔQ=Q-Q, где f и Q - значения собственных (ненагруженных) параметров резонатора.
Недостатком данного способа является то, что необходим образец строгой формы и размера; образец необходимо помещать в строго определенное место ОР, так как структура поля определенного типа строго определена и неравномерна в пространственной полости резонатора; возможно перепутывание основного типа колебания с другими, что вызывает дополнительную погрешность, а применение фильтров снижает добротность основного типа колебания и усложняет конструкцию первичного измерительного преобразователя; необходимо отстраиваться от изменения геометрических размеров ОР, вызванных изменением температуры окружающей среды (что особенно важно в полевых условиях); аппаратная реализация способа достаточно сложна из-за наличия вентилей, циркуляторов, детектора, смесителя, измерителя добротности, частотомера, управляемого по частоте генератора СВЧ.
Техническим результатом предлагаемого СВЧ-способа является повышение точности определения влажности, возможность измерения влажности образца произвольной формы и упрощение аппаратной реализации способа.
Сущность изобретения состоит в том, что в известном СВЧ-способе определения влажности, заключающемся в помещении исследуемого образца в замкнутую металлическую полость и возбуждении электромагнитного поля, размеры замкнутой металлической полости выбирают много больше длины волны питающего генератора СВЧ, так, что обеспечивается возможность возбуждения в ненагруженном состоянии в полости множества колебаний разной пространственной структуры, при постоянной мощности питающего генератора СВЧ и фиксированном времени взаимодействия исследуемого влажного образца с полем многих мод измеряют температуру образца до помещения в замкнутую металлическую полость и температуру после взаимодействия электромагнитного поля многих мод и по разности температур определяют объемную долю влаги v по формуле
где γ - удельная электропроводность воды на СВЧ; Е - напряженность электрического поля в объеме исследуемого образца; V - объем исследуемого образца; T - время СВЧ-нагрева; с - теплоемкость исследуемого образца; m - масса исследуемого образца; Δt - прирост температуры в результате СВЧ-нагрева.
г
г
Реализация предлагаемого способа заключается в следующем. Исследуемый образец помещается в замкнутую металлическую полость. Размеры этой полости выбраны много больше длины волны (λ) питающего генератора СВЧ. Это обеспечивает возможность возбуждения в ненагруженном состоянии множества колебаний разной пространственной структуры вырожденных и не вырожденных в полосе стабильности λ, так, что практически распределение поля (напряженности поля Е) более или менее равномерно в замкнутой металлической полости.
вых
взаимод
При фиксированной выходной мощности питающего генератора СВЧ (P=const), задается время взаимодействия (T) влажного твердого или жидкого образца с полем многих мод в замкнутом объеме
взаимод
T=const.
1
2
взаимод
Измеряется температура образца перед помещением в замкнутый объем t °C, а затем температура t °С образца после T. По разности температур Δt, где
2
1
Δt=t-t, судят об объемной доле влаги.
Объемная доля влаги ν определяется по формуле
где γ - удельная электропроводность воды на СВЧ; Е - напряженность электрического поля в объеме исследуемого образца; V- объем исследуемого образца; T - время СВЧ-нагрева; с - теплоемкость исследуемого образца; m - масса исследуемого образца; Δt - прирост температуры в результате СВЧ-нагрева.
1
нач
2
3
На фиг.1 показана зависимость абсолютного прироста температуры Δt после СВЧ-нагрева керосина без жидкости «И» и керосина с 0,2% добавкой жидкости «И» от начальной температуры нагрева t, на фиг.2 - зависимости разности абсолютных температур Δt нагрева авиационного керосина марки ТС1 от объемной доли жидкости «И», на фиг.3 - зависимость разности абсолютных температур этиленгликоля Δtс добавлением воды и концентрированного этиленгликоля, на фиг.4 - пример структурной схемы реализации предлагаемого способа.
1
нач
В качестве иллюстрации способа рассмотрим СВЧ-нагрев авиационного керосина марки ТС1 в СВЧ-объеме с рабочей длиной волны магнетрона λ≈12,7 см. На фиг.1 показан абсолютный прирост температуры Δt после СВЧ-нагрева чистого керосина (кривая 1) и того же керосина, но с 0,2% добавкой жидкости «И» (кривая 2) в зависимости от начальной температуры нагрева керосина t. Жидкость «И» содержит примерно 0,2-0,6% растворенной влаги, поэтому добавка жидкости «И» увеличивает растворенную влагу в керосине. В качестве кюветы использовались 12 мл пузырьки, помещенные в пенопластовую коробку.
Из анализа хода кривой 2 (Фиг.1) можно сделать вывод: чувствительность к содержанию в керосине жидкости «И» увеличивается с уменьшением температуры - примерно в 5 раз с уменьшением начальной температуры нагрева с 21°С до 2°С. На фиг.2 представлены зависимости разности абсолютных температур нагрева авиационного керосина марки ТС1 с жидкостью «И» и без жидкости «И»
2
”И”-
чист.керосин
м
м
нач
Δt = tt. Кривая 1 - соответствует нагреву в течение 30 с, и непрерывной мощности магнетрона P=600 Вт; кривая 2 - нагреву в течение 1 мин и Р=600 Вт. Начальная температура нагрева в эксперименте в зависимости от опыта лежала в пределах t=17,4-17,8°С.
2
Линейный рост Δt объясняется наличием в жидкости «И» в зависимости от сорта 0,2-0,6% влаги. В эксперименте использовалась жидкость «И» 1 сорта (процент содержания воды меньше 0,2%).
3
см
ср
0
см
пот
cp
0
cp
2
График на фиг.3 иллюстрирует примерные пределы однозначного прироста температуры. Δt - это разность абсолютных температур нагрева этиленгликоля с добавлением воды и того же концентрированного (содержание влаги по паспортным данным ≈ 1,5%). Однозначный прирост температуры наблюдается до 3,5-4,5%. Неоднозначность объясняется тем, что с ростом процента растворенной влаги потери растут, но увеличивается при этом и диэлектрическая проницаемость смеси ε, что влечет за собой согласно граничных условий уменьшение напряженности поля в исследуемой среде Е=E/ε, а как известно, мощность потерь Р~(E), где Е - напряженность электрического поля в объеме взаимодействия, E - в исследуемой среде.
На фиг.4 показан пример структурной схемы устройства реализации предлагаемого способа. Данное устройство позволяет, например, определять объемную долю жидкости "И" по изменению объемной доли влаги в авиационном керосине дифференциальным методом. Устройство (фиг.4) состоит из замкнутой металлической полости 1, трубопровода с исследуемым керосином 2 (проба взята, например, после хранения на складе), трубопровода с образцом керосина 3 (проба взята, например, непосредственно перед хранением), возбуждающих щелей 4 (в примере их три), поглотителей СВЧ-энергии 5, генератора СВЧ 6 (например, магнетрон), делителя мощности 7, устройств измерения температур 8 и 9.
1
2
Для улучшения равномерности электромагнитного поля применены следующие меры: переплетение трубопроводов 2 и 3; возбуждение электромагнитных колебаний множеством щелей 4 (в опыте их три); принудительная малоиндексная частотная модуляция частоты генератора СВЧ 6. Поглотители СВЧ-энергии 5 служат для предотвращения холостого хода генератора СВЧ, так как в режиме холостого хода мощный генератор СВЧ может выйти из строя. Наличие жидкости "И" изменяет объемную долю растворенной влаги в керосине. По разности абсолютных приростов температур Δt и Δt после СВЧ-нагрева судят об объемной доле жидкости "И".
Так как в замкнутой металлической полости реализуется множество мод, то это устраняет возможность перепутывания типов колебаний, а также влечет равномерность ЭМП, что в свою очередь не требует строгой формы исследуемого образца и помещения его в строго заданное место ОР, при этом устраняется необходимость дополнительной отстройки от изменения геометрических размеров ОР, вызванных изменением температуры окружающей среды. Аппаратная реализация способа при этом в отличие от прототипа достаточно проста и не требует сложного оборудования.