СВЧ-СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
MICROWAVE METHOD FOR MEASURING CONCENTRATIONS OF AQUEOUS SOLUTIONS

Изобретение относится к области микроволновой диэлектрометрии и может быть использовано для определения концентраций веществ в сильнопоглощающих водных растворах, в целях контроля влаги в углеводородных смесях, загрязнения водных сред, концентрации биологических клеток в суспензиях.
Известны различные методы определения содержания воды в жидкостях. Наиболее известные из них: дистилляция (для растворимых смесей), центрифугирование (в основном, для несмешивающихся компонентов) и оптические методы (для дисперсий и эмульсий). Эти методы, взятые по отдельности, не могут быть применены ко всему диапазону смесей, простирающемуся от полностью растворимых до полностью нерастворимых. Следует отметить, что способы перегонки и центрифугирование не могут быть приспособлены для целей непрерывного и оперативного контроля. Кроме того, оптические методы, непригодны в случае непрозрачных объектов.
Перечисленные недостатки вышеприведенных методов могут быть минимизированы при использовании методов контроля с помощью измерения поглощения СВЧ-излучения в сильнопоглощающих жидких средах.
Такие методы обычно осуществляются путем пропускания потока исследуемой жидкости с помощью радиопрозрачного трубчатого элемента через СВЧ-излучение в волноводе или резонаторе.
Известны способы измерения диэлектрических характеристик жидкостей с помощью трубки, пропущенной через широкие стенки прямоугольного металлического волновода. При этом концентрации измеряемых веществ в диэлектрической трубке контролируются методом определения величины поглощения СВЧ-излучения, распространяющегося в волноводе [1, 2].
Недостаток данных способов заключается в том, что даже при минимальном уровне мощности генератора СВЧ-сигнала 0,1 мВт, обеспечивающего устойчивую работу измерительного устройства, имеет место существенное изменение амплитуды резонанса в зависимости от продолжительности облучения, свидетельствующее о СВЧ-нагреве исследуемого экспериментального образца водного раствора. Изменение амплитуды резонанса при СВЧ-облучении образца в течение минут достигало в некоторых случаях нескольких дБ, что свидетельствует о недопустимой погрешности измерений. Такая ситуация указывает на необходимость надежного термостатирования измерительной резонаторной кюветы в процессе измерений. Обеспечить условия термостатирования в данных условиях довольно сложно из-за того, что СВЧ облучаемая часть диэлектрической трубки, в которой находится исследуемый раствор, расположена внутри полого волновода. В случае «проточной» измерительной кюветы такого нагрева не наблюдается, так как движущаяся жидкость в диэлектрической трубке не успевает нагреться в зоне СВЧ-облучения. Однако для дорогостоящих биологических препаратов такой «проточный» режим работы измерительной ячейки неприемлем из-за непомерно высоких материальных затрат на проведение эксперимента.
Прототипом предлагаемого изобретения является работа [3], в которой для поглощения жидкости в цилиндрический волновод вводится СВЧ-излучение, интенсивность которого через слой измеряемой жидкости оценивается с помощью измерителя СВЧ-мощности. При изменении диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости уровень контролируемой СВЧ-мощности меняется и по величине этого изменения определяется поглощение жидкости и, соответственно, концентрация раствора.
Технический результат изобретения заключается в том, что при сохранении точности измерений упрощается конструкция устройства за счет исключения процесса термостатирования образца и необходимости использования проточной системы измеряемой жидкости, что особенно важно для дорогостоящих материалов.
Технический результат достигается тем, что в СВЧ-способе измерения концентрации водных растворов, включающем помещение исследуемого образца в волновод и измерения поглощения раствором СВЧ-излучения в условиях максимальной добротности резонаторной измерительной системы, измерение поглощения СВЧ-излучения в образце производят непосредственно при включении СВЧ-излучения и после фиксированного определенного промежутка времени и по величине разности поглощений с помощью калибровочной кривой определяют концентрацию водного раствора.
Измерение содержания воды в жидкостях с помощью предлагаемого способа выполняется следующим образом. В диэлектрический капилляр, пронизывающий широкую стенку металлического прямоугольного волновода, наливается эталонный образец жидкости. Затем с помощью подвижных поршней, раздвигающих широкие стенки волновода, добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях эталонных образцов с разными концентрациями за фиксированное время - время нагревания воды в капиллярной трубке (в нашем случае 2 минуты) показывает изменение концентрации воды в исследуемой жидкости.
Работа выполнялась на панорамной установке Р2-66 на длине волны 21,7 ГГц. Было показано, что в водном растворе диэтиленгликоля наблюдается, практически, линейная зависимость изменения поглощения СВЧ-сигнала от концентрации воды в жидкости (Фиг. 1). Используя полученную калибровочную кривую зависимости изменения поглощения СВЧ-сигнала при нагревании исследуемой жидкости за определенное время, оценивали содержание в воды в контролируемых образцах диэтиленгликоля. Аналогичные процедуры измерения концентраций растворов могут быть выполнены и для других жидкостей.
ЛИТЕРАТУРА
1. Заявка ФРГ (DE) №OS 3741577, G01N 22/00 Vorrichtung und Verfahren zum Messen der Konzentration einer zweikomponentigen Flussigkeit.
4
2. Авт. св. СССР №1307315, МПК G01N 22/00. Ячейка для измерения параметров жидких диэлектриков
7
3. Патент РФ №2222024, МПК G01R 27/26. Трубчатый датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости.