Устройство для измерения физических свойств жидкости

Устройство для измерения физических свойств жидкости

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 в пищевой промышленности для измерения концентрации водно-спиртовых растворов.

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. С. 37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989. С. 168-177). Недостатком таких измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная невозможностью контроля малых изменений физических свойств жидкостей ввиду невысокой точности измерения соответствующих малых изменений информативных параметров (резонансной частоты, добротности резонатора и др.). Для обеспечения возможности проведения таких измерений применяют двухканальные измерительные схемы с эталонными каналами, в которых чувствительные элементы содержат жидкости с известными физическими свойствами (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1963. С. 258-268).

Известно также техническое решение (RU 2285913 С1, 20.10.2006), которое содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии. Они являются резонаторами с колебаниями основного типа ТЕМ и заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, линии связи этих чувствительных элементов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя. Информативным параметром каждого измерительных канала является основная резонансная частота электромагнитных колебаний соответствующего резонатора. Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) измерительного и эталонного каналов содержат, соответственно, контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов - коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных зависящих от температуры изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).

Известно также техническое решение (RU 2473889 С1, 27.01.2013), которое содержит один измерительный канал с двумя оконечными, рабочим и эталонным, чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде торцевых участков волноводного резонатора, в частности отрезка длинной линии. Чувствительные элементы заполняются, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью.

Недостатком этого устройства является невысокая точность измерения. Это вызвано тем, что измерительный и эталонный чувствительные элементы (коаксиальные резонаторы) содержат, соответственно, контролируемую и эталонную жидкость, находящиеся в разных внешних условиях, в частности при температуре, которая может быть различной в местах расположения этих чувствительных элементов - коаксиальных резонаторов. Это приводит к снижению точности измерения вследствие разных зависящих от температуры изменений электрофизических параметров этих жидкостей и, следовательно, значений информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний. Особенно влияние такого отличия на точность измерения сказывается при определении малых значений содержания какой-либо жидкости в смеси жидкостей (растворе).

Известно также техническое решение (RU 2424508 С1, 20.07.2011), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два измерительных канала, рабочий и эталонный, с чувствительными элементами (измерительными ячейками) в виде отрезков коаксиальной линии.

Данное устройство характеризуется сложностью его реализации, обусловленной необходимостью применения двух независимых измерительных каналов. В каждом из них необходимо наличие чувствительного элемента, генератора электромагнитных колебаний и приемного устройства для определения величины информативного параметра. Кроме того, необходимо наличие блока для функциональной обработки выходных сигналов этих (измерительного и опорного) каналов. Необходимость в данных элементах двухканального измерительного устройства существенно усложняет его реализацию. Кроме того, это устройство характеризуется и невысокой точностью измерения вследствие возможных изменений схемных параметров, нестабильности указанных элементов измерительных схем (двух генераторов, приемных устройств). Это приводит к снижению точности измерения.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение реализации устройства и повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем отрезок коаксиальной длинной линии, два чувствительных элемента, рабочий и эталонный, в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, электронный блок и подсоединенный к его выходу регистратор, каждый чувствительный элемент подсоединен в качестве оконечной нагрузки к соответствующему концу отрезка коаксиальной длинной линии, к которому подключен электронный блок, причем центральный проводник и внутренняя поверхность внутреннего цилиндра подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам на одном конце отрезка коаксиальной длинной линии, а наружная поверхность внутреннего цилиндра и наружный цилиндр подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам на другом конце отрезка коаксиальной длинной линии.

На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Устройство содержит отрезки коаксиальной линии 1 и 2, внутренний и внешний цилиндры 3 и 4, внутренний проводник 5, проводники 6 и 7, коаксиальную длинную линию 8, внутренний и наружный проводники 9 и 10, проводники 11, электронный блок 12, регистратор 13.

Один из чувствительных элементов - отрезок коаксиальной линии 1 - образован совокупностью наружной поверхности внутреннего цилиндра 3 и внешним цилиндром 4, а другой чувствительный элемент - отрезок коаксиальной линии 2 - совокупностью внутреннего проводника 5 и внутренней поверхностью соосного с ним металлического внутреннего цилиндра 3. Пространство между проводниками одного из этих отрезков коаксиальной линии заполняется эталонной жидкостью, имеющей номинальное значение измеряемого параметра (физического свойства), а пространство между проводниками другого отрезка коаксиальной линии заполняется контролируемой жидкостью. При этом не имеет принципиального значения, какая из данных жидкостей находится в том или другом чувствительном элементе. С помощью проводников 6 отрезок коаксиальной линии 1 подсоединен к одному из концов (левому) коаксиальной длинной линии 8, а с помощью проводников 7 отрезок коаксиальной линии 2 подсоединен к другому концу (правому) коаксиальной длинной линии 8. При этом такое подсоединение осуществляется так: проводники - наружная поверхность внутреннего цилиндра 3 и внешний цилиндр 4 - отрезка коаксиальной линии 1, с помощью проводников 6 подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам 9 и 10 коаксиальной длинной линии 8 на одном его конце (левом); проводники - внутренний проводник 5 и наружная поверхность внутреннего цилиндра 3 - отрезка коаксиальной линии 2, с помощью проводников 7 подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам 9 и 10 коаксиальной длинной линии 8 на другом его конце (правом). Внутренний и наружный проводники 9 и 10 коаксиальной длинной линии 8 с помощью проводников 11 подсоединены к электронному блоку 12, к выходу которого подключен регистратор 13.

Устройство работает следующим образом.

Отрезок коаксиальной длинной линии 8 может представлять собой резонатор с оконечными нагрузками в виде чувствительных элементов - отрезков коаксиальной линии 1 и 2. Отрезки коаксиальной линии 1 и 2 могут являться элементами с сосредоточенными (электрическая емкость) или распределенными параметрами на его основе (во втором случае - это отрезок коаксиальной длинной линии). Информативным параметром такого устройства (резонатора) может служить резонансная частота f электромагнитных колебаний (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. 280 с.). При заполнении жидкостью пространства между проводниками отрезка коаксиальной линии изменяется величина измеряемого информативного параметра в зависимости от электрофизических параметров жидкости - ее диэлектрической проницаемости ε или (и) тангенса угла диэлектрических потерь tgδ (проводимости σ), функционально связанных с измеряемым параметром (физическим свойством жидкости). Значения резонансной частоты f, находящейся обычно в пределах 1-100 МГц, определяются размерами коаксиальной длинной линии 8 и отрезков коаксиальной линии 1 и 2 и электрофизическими параметрами жидкостей. Данные чувствительные элементы (отрезки коаксиальной линии 1 и 2) функционируют независимо друг от друга; их электрические/электромагнитные поля не оказывают взаимовлияния, поскольку подключение проводников 6 и 7 к внутреннему цилиндру 3 в его верхней части осуществляется с его разных сторон.

К коаксиальной длинной линии 8 (к его внутреннему проводнику 9 и наружному проводнику 10) с помощью проводников 11 подсоединен электронный блок 12, к выходу которого подключен регистратор, фиксирующий текущее значение измеряемого физического свойства контролируемой жидкости. В электронном блоке 12 производится измерение значения основной резонансной частоты электромагнитных колебаний коаксиальной длинной линии 8. Она, в частности, может быть включена в частотозадающую цепь соответствующего автогенератора, которым в данном случае является блок 12, и определяет его частоту генерации. Значение этой частоты соответствует текущему значению величины измеряемого физического свойства контролируемой жидкости.

Поскольку отрезки коаксиальной линии 1 и 2 пространственно совмещены, то они находятся в одинаковых внешних условиях, в частности при одной и той же температуре. Следовательно, результат измерения в электронном блоке 12 не зависит от температуры, а только от величины измеряемого физического свойства. При этом возможно с высокой точностью измерять его малые изменения (доли процента).

Вследствие возможной флуктуационной нестабильности схемных элементов возможны соответствующие изменения информативного параметра, приводящие к снижению точности измерения. Как показано в (RU 2473889 С1, 27.01.2013), возможные изменения информативного параметра из-за независимых флуктуационных изменений измеряемых частот в устройстве-прототипе, реализуемом с применением двухканальной измерительной схемы (при наличии двух генераторов, приемных устройств), превышает аналогичные изменения информативного параметра в предлагаемом устройстве, реализуемом с применением одноканальной измерительной схемы. Следовательно, точность измерения, обеспечиваемая применением предлагаемого устройства, превышает ее значение по сравнению с точностью в устройстве-прототипе.

Для контроля жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками, целесообразно, как это рассмотрено в (RU 2424508 С1, 20.07.2011), для повышения добротности резонаторов покрывать их проводники диэлектрическими оболочками; в коаксиальных резонаторах целесообразно покрыть такими оболочками их внутренние проводники, где сконцентрирована энергия электрического поля (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука, 1978. С. 125-131). В данном случае в отрезке коаксиальной линии 1 для этой цели диэлектрической оболочкой покрыта наружная поверхность внутреннего цилиндра 3, которая соответствует внутреннему проводнику отрезка коаксиальной линии 1. В отрезке коаксиальной линии 2 диэлектрической оболочкой покрыт внутренний проводник 5. Данное устройство целесообразно, в частности, применять для определения концентрации смесей (растворов), по меньшей мере, один из компонент которых является несовершенным диэлектриком с большим процентным содержанием в смеси. Так, это устройство позволяет определять весьма малое содержание (доли процента) примесей в воде, являющейся несовершенным диэлектриком.

Отрезки коаксиальной линии 1 и 2 могут быть идентичными, имея одинаковые значения электрической емкости в отсутствие контролируемой и эталонной жидкостей. Такая идентичность обеспечивается одинаковой длиной отрезков коаксиальной линии 1 и 2 и выбором соотношения диаметров проводников 3, 4 и 5 отрезков коаксиальной линии 1 и 2, а при наличии диэлектрических оболочек на проводниках - выбором соотношения как диаметров этих проводников, так и толщин и материала диэлектрических оболочек и на внутреннем цилиндре 3, и внутреннем проводнике 5 (RU 2424508 С1, 20.07.2011). Такой выбор можно сделать, зная погонные значения (т.е. на единицу длины линии) электрической емкости отрезков коаксиальных линий при отсутствии и наличии диэлектрических оболочек на их проводниках.

Таким образом, данное устройство позволяет с высокой точностью измерять физические свойства различных жидкостей. Его, в частности, целесообразно применять при наличии различных дестабилизирующих факторов, в частности изменений температуры, имеющих разное значение (градиент) в контролируемой области.

Устройство для измерения физических свойств жидкости, содержащее отрезок коаксиальной длинной линии, два чувствительных элемента, рабочий и эталонный, в виде отрезков коаксиальной линии, заполняемых, соответственно, контролируемой жидкостью и эталонной жидкостью, электронный блок и подсоединенный к его выходу регистратор, отрезки коаксиальной линии расположены соосно и образованы совокупностью двух соосных металлических цилиндров и соосного с ними центрального проводника, причем внутренняя поверхность внутреннего цилиндра служит наружным проводником одного из отрезков коаксиальной линии, а его наружная поверхность служит внутренним проводником другого отрезка коаксиальной линии, отличающееся тем, что каждый чувствительный элемент подсоединен в качестве оконечной нагрузки к соответствующему концу отрезка коаксиальной длинной линии, к которому подключен электронный блок, причем центральный проводник и внутренняя поверхность внутреннего цилиндра подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам на одном конце отрезка коаксиальной длинной линии, а наружная поверхность внутреннего цилиндра и наружный цилиндр подсоединены, соответственно, к внутреннему и наружному проводникам на другом конце отрезка коаксиальной длинной линии.