УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СМЕСИ ВЕЩЕСТВ
DEVICE FOR DETERMINATION OF CONCENTRATION OF SUBSTANCES MIXTURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации смесей различных веществ, находящихся в резервуарах (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.).
Известны различные устройства для определения концентрации смесей, основанные на отличии электрофизических параметров жидкостей, образующих смесь (пат. США № 4751476, МПК G01N 27/22, G01R 27/26, G01V 3/08; пат. США № 4767982, МПК G01N 22/00, G01N 22/04, G01R 27/22; Европейский пат. № ЕР 0902276, МПК G01N 22/00, G01N 22/04; монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.168-177). Эти устройства содержат емкостные и радиоволновые чувствительные элементы (конденсаторы, волноводы, резонаторы и др.). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная зависимостью результатов измерений от электрофизических свойств контролируемых веществ в их смеси, в частности, базового вещества в смеси (растворе, эмульсии и др.).
Известно также устройство (авт. свид. СССР № 1497531, МПК G01N 22/04), которое содержит два объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Данное устройство позволяет определять концентрацию, в частности влагосодержание базового вещества независимо от его сортности, которая является функцией электрофизических параметров этого вещества. Известно также техническое решение (патент РФ № 2164021, МПК G01N 22/00), которое содержит контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде волноводного резонатора, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подсоединенный выходом к индикатору, второй чувствительный элемент в виде отрезка коаксиальной линии связи с чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, подключенный к блоку генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений. Это устройство позволяет проводить высокоточные измерения концентрации смесей с достаточной степенью однородности. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения при контроле неоднородных смесей. Причиной этого является контроль с помощью указанных резонаторов разных областей жидкости: с помощью СВЧ-резонатора определяют концентрацию смеси внутри его полости, а с помощью ВЧ-резонатора - вне этой полости. Контроль смеси в разных областях заведомо предопределяет принципиально снижение точности измерения при изменении в процессе измерения электрофизических параметров контролируемой жидкости. Это, в частности, может иметь место при наличии температурного или иного градиента свойств смеси внутри контролируемого резервуара. Наличие такого градиента свойств смеси приводит к соответствующему отличию электрофизических параметров смеси в контролируемых областях.
Известно также техническое решение (авт. свид. СССР № 905755, МПК G01N 22/04), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит коаксиальный резонатор с подсоединенными к нему генераторами высокой (ВЧ) и сверхвысокой частот (СВЧ), причем СВЧ-резонатор образован полостью полого внутреннего проводника коаксиальной линии, а ВЧ-резонатор - пространством между внутренним и наружным проводниками коаксиальной линии.
Это устройство позволяет проводить высокоточные измерения концентрации смесей, в частности влагосодержания.
Недостатком этого устройства-прототипа является невозможность проведения локальных измерений концентрации с высокой точностью. Это особенно важно при контроле неоднородных смесей.
1
1
Для проведения локальных измерений габариты чувствительного элемента устройства должны быть малыми, сравнимыми с размером контролируемой области вещества. Оценим типичные размеры (длину l, внутренний диаметр d полости внутреннего проводника, т.е. полости СВЧ-резонатора) чувствительного элемента в устройстве-прототипе и соответствующие им значения резонансных (собственных) частот ВЧ- и СВЧ-резонаторов. Пусть l=5 см, d=1 см.
111
p1
Тогда для низшего типа колебаний H полого СВЧ-резонатора получим (Семенов Н.А. Техническая электродинамика. М.: Связь. 1973. С.266, 269) следующее значение резонансной частоты f:
10
11
11
Здесь c=3·10 см/с - скорость света; ν=1,8412 - 1-й корень производной функции Бесселя 1-го порядка для волны типа H.
p2
Для коаксиального четвертьволнового резонатора, короткозамкнутого на одном торце и разомкнутого на другом торце, как в устройстве-прототипе, получим следующее значение резонансной частоты f для колебаний основного типа ТЕМ:
1
p1
p2
Для локальных измерений концентрации необходима миниатюризация чувствительного элемента, т.е. уменьшение его длины или (и) поперечных размеров. Пусть теперь l=2,5 см, d=2 см. Тогда будем иметь согласно вышеприведенным формулам f≈10,665 ГГц; f=3 ГГц.
p2
кр
11
кр
Однако при этом в коаксиальной линии, помимо основной волны типа ТЕМ, создаются условия для возбуждения волн высших типов. Это приводит к потере работоспособности устройства, поскольку надежно регистрировать резонансную частоту f колебаний "рабочего" типа ТЕМ становится проблематично. В коаксиальной линии волной высшего типа с наименьшим значением критической длины волны λ является волна типа Н. Значение λ выражается следующей формулой (Ефимов И.Е., Останькович Г.А. Радиочастотные линии передачи. М.: Связь. 1977. С.132-134):
2
2
кр
кр
11
где d - наружный диаметр внутреннего проводника коаксиальной линии; D - внутренний диаметр наружного проводника коаксиальной линии. При d=2,2 см; D=5 см находим, что λ≈11,3 см. Тогда критическая частота f, выше которой возможно распространение в коаксиальной линии волны типа H, имеет следующее значение:
кр
p2
В этом случае нарушается одномодовый режим работы коаксиальной линии, поскольку данное значение f меньше значения f=3 ГГц.
Целью предлагаемого изобретения являются расширение области применения и повышение точности измерения за счет обеспечения возможности проведения локальных измерений концентрации смеси.
Поставленная цель в предлагаемом устройстве для определения концентрации смеси веществ, содержащем контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде отрезка коаксиальной линии, внутренний проводник которой выполнен полым, подключенный к первому блоку генерации электромагнитных колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подсоединен первым входом блок вычислений, второй чувствительный элемент в виде волноводного резонатора, являющегося полостью внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, ко второму генератору электромагнитных колебаний и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен вторым входом блок вычислений, подсоединенный выходом к индикатору, достигается тем, что между полым внутренним и наружным проводниками отрезка коаксиальной линии размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов.
Существенным отличительным признаком, по мнению авторов, является выполнение одного из резонаторов - отрезка длинной линии - в виде совокупности полого внутреннего проводника, выполняющего самостоятельную функцию одного из чувствительных элементов, являясь полым цилиндрическим резонатором, наружного проводника и одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов.
Данный отличительный признак предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: 1) обеспечение возможности проведения локальных измерений концентрации за счет контроля одной и той же локальной области с веществом, находящимся в технологической емкости, измерительной ячейке и др.; 2) обеспечение одномодового режима распространения волн только основного типа ТЕМ в отрезке коаксиальной линии. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.
1
2
k
n-1
n
На фиг.1 изображена схема предлагаемого устройства. Здесь введены обозначения: 1 - отрезок длинной линии, 2 - внутренний проводник, 2, … 2, …, 2 - металлические цилиндры, 2 - наружный проводник, волноводный резонатор, 3 - элемент связи, 4 - ВЧ-генератор, 5 - элемент связи, 6 - блок регистрации резонансной частоты, 7 - волноводный резонатор, 8 - элемент связи, 9 - СВЧ-генератор, 10 - элемент связи, 11 - блок регистрации резонансной частоты, 12 - блок вычислений, 13 - индикатор.
Устройство работает следующим образом. Для проведения высокоточных измерений концентрации смеси веществ независимо от электрофизических параметров одного (базового) из веществ в смеси организуют два измерительных канала с соответствующими чувствительными элементами, контактирующими с контролируемой смесью веществ (авт. свид. СССР № 1497531, МПК G01N 22/04; патент РФ № 2164021, МПК G01N 22/00). Для проведения измерений в предлагаемом устройстве также необходимо наличие частотной дисперсии (т.е. зависимости от частоты f) диэлектрической проницаемости ε у хотя бы одного из веществ, образующих смесь. Частотной дисперсией обладает, в частности, вода в СВЧ-диапазоне частот электромагнитных волн. Выбирая, в частности, для одного измерительного канала ВЧ-диапазон частот (менее 100 МГц), а для другого - СВЧ-диапазон частот (~10 ГГц), или для обоих каналов - разные частоты СВЧ-диапазона, будем иметь разные зависимости ε(f) в этих частотных диапазонах и, соответственно, разные, требуемые принципиально зависимости информативных параметров - резонансных частот электромагнитных колебаний - от концентрации смеси. Осуществляя совместное преобразование в блоке вычислений резонансных частот двух измерительных каналов, можно обеспечить отсутствие зависимости от электрофизических параметров одного (базового) из веществ, образующих смесь. Частотной дисперсией ε(f) обладает не только вода, но и многие другие вещества (спирты, другие полярные жидкости). В предлагаемом устройстве пространственно совмещены два (ВЧ и СВЧ) измерительных канала.
1
Первому измерительному каналу (ВЧ) соответствует первый чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии 1 - резонатор. Его внутренний проводник 2 выполнен полым.
1
n
2
k
n-1
Для значительного снижения резонансной частоты данного резонатора, необходимого для обеспечения одномодового режима колебаний основного типа ТЕМ, и недопущения возбуждения колебаний (волн) высших типов, между полым внутренним 2 и наружным 2 проводниками отрезка длинной линии 1 размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров 2, … 2, …, 2 (k=2, 3, …, n-1), поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов. В таком отрезке длинной линии как в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания. В резонаторе 1 возбуждают электромагнитные колебания через элемент связи 3 с помощью ВЧ-генератора 4. Определение резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента связи 5, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 6. Элементы связи 3 и 5 могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель (индуктивная связь).
1
Второму измерительному каналу (СВЧ) в предлагаемом устройстве соответствует второй чувствительный элемент в виде волноводного резонатора 7, являющегося полостью внутреннего проводника 2 длинной линии 1. В резонаторе 7 возбуждают электромагнитные колебания через элемент связи 8 с помощью СВЧ-генератора 9. Определение резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента связи 10, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 11. Элементы связи 8 и 10 также могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель.
Измеренные значения резонансных частот обоих измерительных каналов поступают в блок вычислений 12. С выхода этого блока сигнал, соответствующий концентрации смеси, поступает на индикатор 13. Данный сигнал не зависит от электрофизических параметров (в частности, диэлектрической проницаемости) одного из веществ (базового) в смеси, степень содержания в которой другого вещества, в частности содержания воды или иного вещества, обладающего частотной дисперсией ε(f), подлежит определению.
Необходимо обеспечить свободный доступ контролируемой смеси веществ внутрь полостей обоих чувствительных элементов. Для этого в отрезке длинной линии 1 в стенках его наружного проводника могут быть выполнены малые (неизлучающие) отверстия, а в волноводном резонаторе 7 хотя бы один из его торцов может быть выполнен частично открытым. При этом в качестве такой торцевой стенки может служить запредельный волновод, образованный, в частности, при диаметральном расположении внутри полости резонатора металлической плоскости у его торца, а также совокупность металлических линий, образующих решетку, форма и расположение которых соответствует силовым линиям возбужденного в резонаторе типа колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С.173-176).
p2
p2
p2
p1
p1
p2
Приведем оценки частот электромагнитных волн для отрезка длинной линии 1. Данная конструкция отрезка длинной линии 1 имеет электрическую длину, в k раз (k=2, 3, …) большую реальной длины каждого его участка, а его габариты (в данном случае длина) существенно меньше по сравнению с длиной отрезка коаксиальной линии в устройстве-прототипе. Так, если исходный четвертьволновый отрезок линии имеет длину l=5 см, то для него, как приведено выше, f=1,5 ГГц, а при l=2,5 см имеем f=3 ГГц. При наличии пяти участков зигзагообразной линии, обеспечиваемых наличием четырех вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, с длиной каждого участка l=2,5 см электрическая длина такого отрезка линии становится равной 12,5 см и, следовательно, f=0,6 ГГц. Данная частота ВЧ-диапазона значительно меньше критической частоты возбуждения волн высших типов, т.е. обеспечен одномодовый режим возбуждения в отрезке длинной линии 1 колебаний только основного типа ТЕМ. Итак, за счет обеспечения зигзагообразного пути распространения электромагнитных волн в отрезке длинной линии 1 его габариты (длина) существенно уменьшаются путем выбора числа изгибов исходного отрезка линии (т.е. числа металлических цилиндров в конструкции датчика). Диапазон изменения частоты fволноводного резонатора при этом находится в СВЧ-диапазоне и зависит от размеров его полости. При заполнении чувствительных элементов контролируемым веществом значения соответствующих резонансных частот f и f еще более снижаются.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение локальных значений концентрации смеси различных веществ независимо от электрофизических параметров базового вещества в смеси и при наличии весьма неравномерного характера изменения электрофизических свойств смеси по объему резервуара с контролируемой смесью веществ.