Устройство для измерения физических свойств жидкости

Устройство для измерения физических свойств жидкости

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено для измерения концентрации водоспиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности.

Известны различные устройства для определения физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз. 1963. Стр.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. Стр.168-177). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная достаточно большими габаритами датчиков. Это не позволяет осуществлять локальные измерения интересующих свойств жидкости, содержащейся в какой-либо технологической емкости, а дает информацию об их интегральных значениях.

Известно также техническое решение - резонатор, содержащий совокупность центрального протяженного проводника и по меньшей мере двух соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов (авт. свид. СССР №55369, МПК: Н 01 Р 7/04). Данная конструкция резонатора имеет меньшие размеры по сравнению с размерами резонаторов в вышеуказанных технических решениях.

Данное устройство по технической сущности является наиболее близким к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа.

Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения и невысокая точность измерения при его применении в измерительных целях.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения и повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем подсоединенный посредством элементов связи к электронному блоку отрезок длинной линии, выполненной в виде совокупности центрального металлического стержня и по меньшей мере двух соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, причем внешний металлический цилиндр закрыт с обоих торцов первой и второй металлическими плоскостями, а центральный металлический стержень замкнут накоротко на одном из концов с первой металлической плоскостью, достигается тем, что центральный металлический стержень имеет длину, равную длине внешнего металлического цилиндра, и его другой конец соединен накоротко со второй металлической плоскостью, а элементы связи выполнены в виде металлических петель, располагаемых у одного из концов центрального металлического стержня внутри внешнего металлического цилиндра и подсоединены накоротко к соответствующей металлической плоскости. Внешний металлический цилиндр может содержать отверстия в боковой поверхности и (или) торцевых металлических плоскостях.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются, во-первых, то, что центральный металлический стержень имеет длину, равную длине внешнего металлического цилиндра; во-вторых, этот стержень соединен накоротко с другой металлической плоскостью, будучи подсоединенным к электронному блоку с помощью располагаемых у этого конца стержня индуктивных элементов связи (металлических петель), подсоединяемых накоротко к металлической плоскости.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: обеспечение возможности проведения локальных измерений физических свойств жидкости в различных частотных диапазонах за счет изменения электрических характеристик отрезка длинной линии; обеспечение надежности конструкции датчика и, как следствие, точности измерения, за счет возможности подсоединения обоих концов центрального металлического стержня к торцевым металлическим плоскостям внешнего металлического цилиндра.

Данные свойства обеспечивают полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг.1 схематически изображен полуволновый отрезок длинной линии (а) и его изогнутая конструкция (б) с меньшими габаритами (длиной). На фиг.2 показана схема предлагаемого устройства, соответствующая отрезку длинной линии на фиг.1, а. Здесь введены обозначения: 1 - отрезок длинной линии, 1а, 1b,..., 1n - участки отрезка длинной линии, 2 - распределение амплитуды напряжения в отрезке длинной линии, 3 - центральный металлический стержень, 4а, 4b,..., 4n - металлические цилиндры, 5 - электронный блок, 6 и 7 - элементы связи.

Устройство работает следующим образом. В отрезке длинной линии 1 - резонаторе - резонансные частоты и распределение электромагнитного поля стоячей волны возбуждаемых электромагнитных колебаний зависят, в частности, от нагрузочных сопротивлений на их концах. Например, для полуволнового отрезка линии на фиг.1 показано распределение напряжения вдоль длины отрезка линии (линия 2). При погружении такого отрезка линии в контролируемую жидкость, при котором она заполняет и пространство между проводниками отрезка линии, изменяется резонансная частота электромагнитных колебаний отрезка линии, служащая информативным параметром для определения тех или иных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.). Эти свойства, в свою очередь, функционально зависят от электрофизических параметров контролируемой жидкости, в частности, от ее диэлектрической проницаемости. Габариты (длину) отрезка длинной линии, служащего датчиком устройства для измерения каких-либо физических свойств контролируемой жидкости, можно существенно уменьшить путем придания его конструкции компактной зигзагообразной формы (фиг.1, б). За счет этого возможно осуществлять измерения физических свойств жидкости локально, в малом объеме или внутри емкости с контролируемой жидкостью, или при нахождении малого объема жидкости внутри конструкции такого отрезка длинной линии (измерительной ячейки).

На фиг.2 приведена конструкция измерительного устройства, соответствующая отрезку длинной линии на фиг.1, б. Здесь в отрезке длинной линии 1 на одной из его резонансных частот с помощью электронного блока 5 возбуждаются электромагнитные колебания. В этом же блоке производится определение резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии и регистрация соответствующего значения измеряемого физического свойства жидкости. Возбуждение в отрезке длинной линии 1 электромагнитных колебаний и их съем осуществляется с помощью элементов связи 6 и 7.

Электромагнитные волны распространяются по отрезку зигзагообразной линии последовательно вдоль участков, образуемых центральным металлическим стержнем 3 и соосными с ним, вложенными один в другой, металлическими цилиндрами 4а, 4b,..., 4n (фиг.2). Верхний и нижний торцы такой измерительной ячейки являются металлическими плоскостями. Характеристические (волновые) сопротивления соответствующих участков такого отрезка линии зависят от диаметров металлических цилиндров. При равенстве этих сопротивлений для всех участков длинная линия является однородной. Металлические цилиндры 4a, 4b,..., 4n, как показано на фиг.2, поочередно короткозамкнуты и разомкнуты на одном из их концов, образуя, таким образом, зигзагообразную длинную линию.

В полуволновом отрезке линии (фиг.2) центральный металлический стержень короткозамкнут на обоих концах, а элементы связи 6 и 7 выполнены в виде петель, располагаемых у этого конца центрального металлического стержня 3 внутри внешнего металлического цилиндра и подсоединяемых накоротко к его верхнему торцу (индуктивная связь). При этом обеспечивается надежная механическая конструкция резонатора, поскольку центральный металлический стержень 3 присоединен теперь к обоим металлическим плоскостям внешнего цилиндра; а это, в свою очередь, обеспечивает стабильность электрических характеристик резонатора и, следовательно, способствует повышению точности измерения.

Длина центрального металлического стержня равна длине внешнего металлического цилиндра при замыкании накоротко обоих концов этого стержня (фиг.2).

Данная конструкция резонатора позволяет применять его для измерительных целей, подключая к электронному блоку, то есть по иному назначению по сравнению с предназначением резонатора в рассматриваемом известном техническом решении, что говорит о расширении области применения данного устройства.

В конструкции датчика обеспечивается возможность заполнения контролируемой жидкостью всего пространства между проводниками отрезка линии за счет выполнения малых отверстий в боковой поверхности и (или) торцевых металлических поверхностях внешнего металлического цилиндра. Наличие таких отверстий практически не сказывается на электрических характеристиках датчика.

Конструкция полуволнового отрезка длинной линии в предлагаемом устройстве (фиг.2) имеет длину, в n раз меньшую длины исходного (фиг.1) отрезка линии. У полуволнового отрезка длинной линии с длиной 1 м его резонансная (собственная) частота равна 150 МГц. За счет зигзагообразной формы отрезка линии (фиг.2) его габариты (длина) также существенно уменьшаются (0,2 м при наличии n=5 участков зигзагообразной линии) путем выбора числа изгибов исходного отрезка линии (т.е. числа металлических цилиндров в конструкции датчика). При n=1 для отрезка линии такой длины 0,2 м резонансная частота равнялась бы в этом случае 750 МГц, т.е. весьма высока по сравнению с резонансной частотой датчика на основе зигзагообразной длинной линии. Одно из преимуществ данного устройства (на основе полуволнового отрезка длинной линии) по сравнению с устройством-прототипом (на основе четвертьволнового отрезка длинной линии) состоит в том, что при тех же размерах предложенное устройство характеризуется в два раза большим значением резонансной частоты, что является преимуществом при необходимости определять электрофизические параметра жидкостей в данном, более высоком, диапазоне частот, то есть имеет место расширение области применения.

Таким образом, предлагаемое устройство характеризуется более широкой областью применения, более надежной конструкцией датчика и, как следствие, более высокой точностью измерения по сравнению с прототипом. Данное устройство обеспечивает возможность определять локальные значения физических свойств жидкости внутри содержащей ее емкости, а также проводить измерения таких свойств в измерительных ячейках малых размеров в различных частотных диапазонах.

1. Устройство для измерения физических свойств жидкости, содержащее подсоединенный посредством элементов связи к электронному блоку отрезок длинной линии, выполненной в виде совокупности центрального металлического стержня и по меньшей мере двух соосных с ним и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, причем внешний металлический цилиндр закрыт с обоих торцов первой и второй металлическими плоскостями, а центральный металлический стержень замкнут накоротко на одном из концов с первой металлической плоскостью, отличающееся тем, что центральный металлический стержень имеет длину, равную длине внешнего металлического цилиндра, и его другой конец соединен накоротко со второй металлической плоскостью, а элементы связи выполнены в виде металлических петель, располагаемых у одного из концов центрального металлического стержня внутри внешнего металлического цилиндра и подсоединены накоротко к соответствующей металлической плоскости.

2. Устройство для измерения физических свойств жидкости по п.1, отличающееся тем, что внешний металлический цилиндр содержит отверстия в боковой поверхности и (или) торцевых металлических плоскостях.