Способ и устройство измерения физических параметров материала

Способ и устройство измерения физических параметров материала

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Техническое решение относится к измерительной технике и предназначено для измерения влажности материала, диэлектрической проницаемости, показателя преломления, концентрации смеси веществ, плотности.

Основное назначение предлагаемого технического решения - измерение влажности сыпучих, пастообразных и жидких материалов, обладающих высокой электропроводностью. К таким материалам, в частности, относятся:

- каменный уголь, в том числе антрацит;

- руда, железорудные концентраты;

- солевая пульпа (твердая поваренная соль в ее насыщенном растворе);

- иловые осадки сточных вод;

- шламы в производстве цемента;

- нефтяной шлам, сырая нефть;

- минеральные удобрения.

В качестве первого аналога выбран способ измерения физических параметров материала, описанный в патенте RU 2571301 C2 «Способ измерения физических параметров материала», опубл. 20.12.2015, и в заявке WO 2015041568 A1 «МЕТНOD FOR MEASURING THE PHYSICAL PARAMETERS OF A MATERIAL», опубл. 26.03.2015. В указанном способе применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего зондирующий высокочастотный сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны (равна половине длины волны или равна длине волны или равна нескольким половинам длин волн) зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала, причем сигнальный проводник датчика на конце соединен с экранным проводником, а детектор подключен непосредственно к входу датчика.

Устройство (влагомер), выбранное в качестве первого аналога и осуществляющее указанный способ, описано в патентах RU 128333 U1 «Влагомер сыпучих материалов», опубл. 20.05.2013; RU 2572087 C2 «Влагомер», опубл. 27.12.2015; RU 2572819 C2 «Влагомер (варианты)», опубл. 20.01.2016; RU 2585255 C2 «Влагомер-диэлькометр (варианты)», опубл. 27.05.2016, а также в заявке ЕР 2921848 А1 «MOISTURE METER FOR BULK SOLIDS», опубл. 23.09.2015. Подробное описание известного устройства приведено также на сайтах: http://fizepr.ru/, http://fizepr.com/.

Известный влагомер содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, причем детектор включен между выходом генератора и входом датчика и установлен непосредственно на входе датчика, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора.

Особенностью приведенного способа и осуществляющего его устройства является прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической проницаемости, основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической проницаемости в значение влажности контролируемого материала. Указанные гармоники являются резонансными частотами отрезка длинной линии передачи датчика и характеризуются тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего электромагнитного сигнала в материале, заполняющем датчик. Критерием достижения частоты гармоники (частоты резонанса) является минимум напряжения на выходе детектора. В материалах, обладающих электропроводностью, зондирующий сигнал сильно ослабляется, добротность резонанса падает, расширяется полоса резонанса и в результате точность измерения влажности снижается. Для материалов с повышенной электропроводностью резонанс может вообще отсутствовать. Для обеспечения возможности измерения таких материалов, например, для измерения сырой нефти, в известных влагомерах применяют следующее решение: сигнальный проводник (зонд) датчика помещают в диэлектрическую оболочку - трубку. Но при высокой электропроводности материала, например, для насыщенного раствора соли, применение диэлектрической оболочки уже не решает проблему. Кроме того, использование диэлектрической трубки невозможно для ряда применений влагомера, так, например, при установке такого влагомера в поток кускового материала на ленте конвейера диэлектрическая оболочка разрушится. Введение диэлектрической оболочки зонда снижает чувствительность влагомера и точность измерений. Калибровочная характеристика такого влагомера определяется уже не только параметрами контролируемого материала, но и параметрами диэлектрической трубки: ее диаметром, толщиной стенок и диэлектрической проницаемостью материала трубки.

Еще одним недостатком известного устройства, выбранного в качестве первого аналога, является ограничение диапазона рабочих температур. В известном устройстве полупроводниковые диоды, входящие в состав детектора, подсоединены к входу датчика непосредственно и фактически имеют ту же температуру, что и контролируемый материал. Поэтому диапазон температур контролируемого материала в известном устройстве ограничен допустимыми температурами полупроводниковых диодов.

В качестве второго аналога выбраны способ и устройство измерения физических параметров материала, предложенные в патентах RU 2154816 C2 «Способ и устройство для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта», опубл. 20.08.2000, и ЕР 0829007 В1 «PROCESS AND DEVICE FOR CONTINUOUSLY DETECTING THE DAMPNESS OF A BULK MATERIAL», опубл. 18.03.1998. В указанных патентах описан способ измерения влажности, в котором применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и двумя экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий гармонический сигнал, который формируют генератором, измеряют разность фаз между фазой зондирующего сигнала, прошедшего через датчик и отрезки коаксиальной линии передачи, подсоединенные к датчику, и фазой сигнала, прошедшего через отрезок эталонной линии передачи, подключенный параллельно датчику, и по разности фаз определяют влажность материала.

Влагомер, осуществляющий указанный способ, содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным и двумя экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, причем экранные проводники образованы стенками металлического бункера, а сигнальный проводник выполнен в виде металлического прутка, который установлен между стенками бункера параллельно им, первый и второй отрезки коаксиальной линии передачи, подключенные, соответственно, к входу и выходу датчика, генератор высокочастотного гармонического зондирующего сигнала, подключенный к входу датчика через первый отрезок коаксиальной линии передачи, отрезок эталонной линии передачи, вход которого подключен к выходу генератора, фазовый детектор, к первому входу которого подключен через смеситель выход отрезка эталонной линии передачи, а ко второму входу фазового детектора подключен через второй смеситель выход второго отрезка коаксиальной линии передачи, устройство измерения и управления, к которому подключен выход детектора, причем на входе и выходе датчика установлены переходные рупоры для свободного от отражений согласования волнового сопротивления первого и второго отрезков коаксиальной линии с волновым сопротивлением линии передачи датчика, переходные рупоры на переходе к датчику закрыты слоем, прозрачным для зондирующего электромагнитного сигнала.

Данное техническое решение основано на измерении диэлектрической проницаемости, но применяемый способ измерения диэлектрической проницаемости -косвенный, результат измерения зависит от параметров отрезка эталонной линии передачи, соответственно, данный способ не позволяет достичь максимальной точности измерения.

Способ измерения влажности, основанный на измерении разности фаз между фазой зондирующего сигнала, прошедшего через контролируемый материал, и фазой сигнала, прошедшего через отрезок эталонной линии передачи, применяется во многих влагомерах, описанных, например, в монографии: Бензарь В.К., Техника СВЧ-влагометрии. - Минск: Высшая школа, 1974, 352 с. Второй аналог, как и технические решения, приведенные в указанной монографии, имеет следующий недостаток: суммарный фазовый сдвиг сигнала в датчике и подключенных к датчику отрезках линии передачи зависит не только от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего датчик, но и от согласования волнового сопротивления линии передачи датчика с волновыми сопротивлениями подключенных к датчику отрезков линии передачи. Для разных контролируемых материалов, а также при изменении влажности контролируемого материала волновое сопротивление линии передачи датчика изменяется. Для уменьшения влияния волнового сопротивления датчика на измеряемую разность фаз во втором аналоге предложено на входе и выходе датчика установить согласующие рупоры, которые закрыты слоем, прозрачным для зондирующего электромагнитного сигнала. Но рупоры обеспечивают согласование в сравнительно узком диапазоне изменения волнового сопротивления и, кроме того, использование указанных рупоров возможно только для узкого круга задач.

В рассмотренных выше влагомерах влажность отсчитывают по величине измеренной фазы, поэтому во всем диапазоне изменения фазы от 0 до 360° фазовый детектор должен иметь стабильную и линейную характеристику преобразования фазы в выходное напряжение. Линейность преобразования детектора зависит от амплитуды его входных сигналов. В материалах, обладающих электропроводностью, зондирующий сигнал сильно ослабляется, это влияет на линейность характеристик фазового детектора. Фазовый сдвиг сигнала в таких материалах может многократно превышать 360°. Указанные факторы привели к тому, что известное техническое решение нашло лишь ограниченное применение и не используется для контроля материалов, обладающих высокой электропроводностью.

В качестве прототипа выбраны способ и устройство измерения физических параметров материала, наиболее близкие по технической сущности к предлагаемому техническому решению, описанные в патентах RU 2576552 C1 «Способ и устройство измерения физических параметров материала», опубл. 10.03.2016; DE 212015000221 U1 « die physikalischen Parameter eines Materials)), опубл. 25.04.2017, и в заявке WO 2016043629 A1 «METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE PHYSICAL PARAMETERS OF A MATERIAL», опубл. 24.03.2016.

В известном способе, выбранном в качестве прототипа, применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий высокочастотный гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, причем на вход детектора зондирующий сигнал подают с входа датчика через первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала.

Устройство, выбранное в качестве прототипа и осуществляющее приведенный выше способ, содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора, первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход указанного отрезка подключен к входу датчика, а его выход подключен к первому входу детектора, причем первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно выходу указанного отрезка, выход генератора подключен к входу датчика через входной отрезок линии передачи.

Как и для первого аналога, основой приведенного способа и осуществляющего его устройства является прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической проницаемости, основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической проницаемости в значение влажности контролируемого материала. Но для материалов, обладающих электропроводностью, данное техническое решение не позволяет получить высокую точность измерения. Причины, обуславливающие указанный недостаток, те же, что и для технического решения, выбранного в качестве первого аналога. Эти причины подробно описаны выше, в разделе, в котором рассмотрен первый аналог.

Целью предлагаемого технического решения является повышение точности измерения физических параметров материалов, обладающих электропроводностью, в том числе материалов, имеющих абразивные свойства, а также сыпучих материалов с крупными фракциями.

Поставленная цель достигается тем, что в способе измерения физических параметров материала, в котором применяют датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, датчик заполняют контролируемым материалом и на его вход подают зондирующий высокочастотный гармонический сигнал, который формируют генератором, генератор перестраивают в диапазоне частот и при перестройке измеряют напряжение на выходе детектора, преобразующего высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, и по минимальным значениям указанного напряжения определяют частоты гармоник, характеризующиеся тем, что на этих частотах длина сигнального проводника датчика равна или кратна половине длины волны зондирующего сигнала в материале, заполняющем датчик, причем на вход детектора зондирующий сигнал подают с входа датчика через первый дополнительный отрезок линии передачи, в котором создают режим бегущих волн, частоту гармоники, измеренную при заполнении датчика контролируемым материалом, сравнивают с частотой гармоники, измеренной при заполнении датчика воздухом, и по этим частотам или по их отношению определяют физические параметры материала, согласно предлагаемому техническому решению, частоты гармоник определяют посредством сравнения фазы зондирующего сигнала на входе датчика с фазой зондирующего сигнала на выходе датчика, сравнение фаз производят в детекторе, выполненном в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные сигналы или синфазны или противофазны, зондирующий сигнал с выхода датчика подают на второй вход детектора через введенный в состав влагомера второй дополнительный отрезок линии передачи, электрическая длина которого выбрана равной электрической длине первого дополнительного отрезка, причем во втором дополнительном отрезке создают режим бегущих волн. Упомянутые физические параметры материала представляют собой диэлектрическую проницаемость, влажность материала, концентрацию смеси веществ, плотность, показатель преломления материала.

В предложенном способе, также как в рассмотренных ранее первом аналоге и прототипе, обеспечивается прямой и абсолютный метод измерения диэлектрической проницаемости (показателя преломления), основанный на измерении частот гармоник зондирующего сигнала и пересчете полученного значения диэлектрической проницаемости в значение влажности контролируемого материала (плотности или концентрации).

Для сравнения: во втором аналоге измерение диэлектрической проницаемости - косвенное и общая ошибка измерения влажности определяется уже двумя факторами: ошибкой измерения диэлектрической проницаемости и ошибкой перевода диэлектрической проницаемости во влажность. В предлагаемом техническом решении ошибка измерения диэлектрической проницаемости сведена к минимуму и итоговая ошибка измерения влажности определяется лишь только одним фактором - точностью перевода в значение влажности измеренной диэлектрической проницаемости. Таким образом, предложенное техническое решение в принципе точнее известных решений, основанных на косвенном измерении диэлектрической проницаемости.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе генератор перестраивают в диапазоне частот дискретными шагами, на каждом шаге перестройки определяют напряжение на выходе детектора, и по частотной зависимости указанного напряжения, измеренной во всем диапазоне частот перестройки генератора, определяют частоты гармоник.

Поставленная цель достигается также тем, что в предложенном способе сравнивают уровни (амплитуды) зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, по их отношению определяют диэлектрические потери в контролируемом материале и по полученному значению потерь уточняют измеряемые физические параметры.

Указанный способ реализуют следующим образом: по измеренному отношению частот гармоник определяют действительную составляющую показателя преломления материала; по отношению уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика определяют мнимую составляющую показателя преломления; по двум найденным параметрам вычисляют комплексную диэлектрическую проницаемость и затем по ее значению определяют влажность материала (или другие физические параметры) с повышенной точностью. Предлагаемое решение, заключающееся в дополнительном измерении амплитуд сигнала, позволяет определить комплексную диэлектрическую проницаемость даже при высоком тангенсе диэлектрических потерь, превышающем единицу.

Применительно к устройству, осуществляющему предложенный способ, поставленная цель достигается тем, что в устройстве измерения физических параметров материала, содержащем датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи с сигнальным проводником и одним или несколькими экранными проводниками, пространство между которыми предназначено для заполнения контролируемым материалом, подключенный к входу датчика генератор, формирующий высокочастотный гармонический зондирующий сигнал, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты, детектор, преобразующий высокочастотный зондирующий сигнал в напряжение низкой частоты, устройство измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора и выход детектора, первый дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход указанного отрезка подключен к входу датчика, а его выход подключен к первому входу детектора, причем первый дополнительный отрезок линии передачи выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору, что обеспечено, например, подсоединением согласующего резистора параллельно выходу указанного отрезка, выход генератора подключен к входу датчика или непосредственно или через входной отрезок линии передачи, согласно предлагаемому техническому решению, упомянутый детектор выполнен в виде фазового дискриминатора, у которого выходное напряжение достигает минимума, когда его входные высокочастотные сигналы синфазны или противофазны, введен второй дополнительный отрезок двухпроводной линии передачи, вход которого подключен к выходу датчика, а выход второго дополнительного отрезка подключен ко второму входу детектора, причем электрическая длина второго дополнительного отрезка равна электрической длине первого дополнительного отрезка и второй дополнительный отрезок линии передачи также выполнен согласованным на выходе, подключенном к детектору. В качестве двухпроводной линии для указанных дополнительных отрезков и входного отрезка может быть применен коаксиальный кабель.

Поставленная цель достигается также тем, что генератор зондирующего сигнала выполнен в виде синтезатора, который формирует частоту зондирующего сигнала по цифровому коду, задаваемому устройством измерения и управления, а устройство измерения и управления содержит процессор, который вычисляет физические параметры контролируемого материала по значениям частот гармоник зондирующего сигнала. Частоты гармоник определяют по минимуму напряжения на выходе детектора следующим образом: снимают весь спектр выходного сигнала детектора, представляющий собой частотную зависимость напряжения детектора во всем диапазоне частот перестройки генератора, затем в этом спектре находят минимумы и определяют значения частот в этих минимумах.

Поставленная цель достигается также тем, что в состав устройства измерения и управления введен усилитель с нелинейной амплитудной характеристикой, обеспечивающий усиление выходного напряжения детектора таким образом, что напряжение низкого уровня усиливается, а напряжение высокого уровня ограничивается. При таком преобразовании выходного сигнала детектора пики минимумов в спектре обостряются, что позволяет повысить точность измерения положения минимума на оси частот.

Поставленная цель достигается также тем, что в состав детектора включено устройство для измерения и вычисления отношения уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика, выход указанного устройства подключен к устройству измерения и управления, причем процессор устройства измерения и управления вычисляет физические параметры материала по значениям частот гармоник и по величине отношения уровней зондирующего сигнала на входе и выходе датчика.

Поставленная цель достигается также тем, что подключение первого дополнительного отрезка линии передачи к входу датчика произведено через делитель мощности, выполненный, например, в виде резистора, который включен между входом датчика и входом первого дополнительного отрезка линии передачи. Указанный резистор образует с входным сопротивлением первого дополнительного отрезка делитель напряжения. Делитель мощности выполняет две функции:

- обеспечивает развязку входных цепей датчика от первого дополнительного отрезка, тем самым исключает влияние этого отрезка на фазу сигнала на выходе датчика;

- уменьшает мощность сигнала на втором входе детектора.

Необходимость уменьшения мощности сигнала на втором входе детектора обусловлена тем, что для измерения материалов с высокой проводимостью приходится сильно увеличить мощность генератора. С помощью делителя мощности ограничивают уровень сигнала на втором входе детектора на допустимом уровне.

Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде трубы, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлического прутка, который расположен внутри трубы или параллельно ее оси или перпендикулярно к оси трубы вдоль диаметра, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, каждый из электровводов расположен либо на боковой поверхности трубы, либо на торцевой заглушке трубы, соответственно, сигнальный проводник датчика имеет либо П-образную форму, либо Г-образную форму, либо форму прямого отрезка, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.

Поставленная цель достигается также тем, что на внешней поверхности трубы соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем, электровводы установлены в указанных отверстиях, стаканы соединены металлическими трубками с дополнительным корпусом, внутри которого установлен детектор, дополнительные отрезки линии передачи размещены в указанных трубках.

Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде щита, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлического прутка, который установлен на щите и имеет П-образную форму, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, указанные электровводы закреплены в щите, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы.

Поставленная цель достигается также тем, что на внешней поверхности щита соосно с электровводами установлены два металлических корпуса, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем электровводы установлены в указанных отверстиях, внутри первого металлического корпуса, в котором находится выход сигнального проводника датчика, установлен детектор, стаканы соединены металлической трубкой, внутри которой размещен первый дополнительный отрезок линии передачи, второй дополнительный отрезок линии передачи размещен в первом металлическом корпусе.

Поставленная цель достигается также тем, что проводники входного и дополнительных отрезков линии передачи и проводники датчика выполнены из металла, устойчивого к воздействию высоких температур, а электрическое соединение указанных проводников выполнено с помощью высокотемпературного припоя.

Поставленная цель достигается также тем, что в сигнальном проводнике, выполненном в виде металлического прутка, на его торце выполнено отверстие вдоль оси прутка, внутри отверстия установлен датчик температуры, например, термопара, провода датчика температуры подключены к устройству измерения и управления, причем на выходе из отверстия в прутке указанные провода намотаны на ферритовое кольцо. Провода датчика температуры выполнены изолированными от сигнального и экранного проводников. Благодаря намотке проводов на ферритовое кольцо они образуют дроссель, который имеет высокое сопротивление на частотах зондирующего сигнала, этим устраняется влияние проводов термодатчика на зондирующий сигнал. Измерение температуры контролируемого материала позволяет повысить точность измерения его влажности, так как диэлектрическая проницаемость зависит не только от содержания в материале воды, но и от его температуры.

Поставленная цель достигается также тем, что экранный и сигнальный проводники датчика выполнены в виде параллельных стержней, причем экранный проводник может содержать либо один стержень, либо несколько параллельных стержней, в одном из которых выполнено вдоль его длины сквозное отверстие, все стержни закреплены своими концами на первом и втором металлических основаниях, причем стержни, образующие экранный проводник, закреплены на основаниях так, что образуют с основаниями электрический контакт, сигнальный проводник закреплен своими концами на основаниях посредством электровводов, содержащих диэлектрический изолятор, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля и подключены к сигнальному проводнику датчика через указанные электровводы, при этом входной и первый дополнительный отрезки линии передачи подключены к входу датчика со стороны первого основания, второй дополнительный отрезок линии передачи подключен к выходу датчика со стороны второго металлического основания и выведен на сторону первого основания через упомянутое отверстие в стержне.

Поставленная цель достигается также тем, что экранный проводник датчика выполнен в виде трубы с прорезями в ее стенках, а сигнальный проводник датчика выполнен в виде металлической трубки, которая расположена внутри упомянутой трубы параллельно ее оси, на концах сигнальный проводник закреплен в электровводах, содержащих диэлектрический изолятор, электровводы расположены на торцевых стенках трубы, подключение входного и дополнительных отрезков линии передачи к сигнальному проводнику датчика произведено через указанные электровводы, входной и дополнительные отрезки линии передачи выполнены из коаксиального кабеля, второй дополнительный отрезок линии передачи, подключенный к выходу датчика, размещен внутри трубки, образующей сигнальный проводник, на выходе из трубки со стороны входа датчика указанный отрезок коаксиального кабеля намотан на ферритовое кольцо.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется фиг. 1-10.

На фиг. 1-8 показана конструкция устройства измерения физических параметров материала в разных вариантах исполнения. На фиг. 9 и 10 показаны спектры выходного сигнала детектора и соответствующие им возможные варианты электрических схем детектора.

Предложенное устройство измерения физических параметров материала характеризуется следующими признаками. Устройство измерения (влагомер) содержит датчик, выполненный в виде отрезка длинной линии передачи, образованной сигнальным проводником 1 и одним или несколькими экранными проводниками 2. Пространство между проводниками 1 и 2 предназначено для заполнения контролируемым материалом. Датчик содержит вход 3 и выход 4. Вход 3 датчика подключен к выходу генератора 5 высокочастотного гармонического зондирующего сигнала, причем генератор выполнен перестраиваемым в диапазоне частот и имеет вход управления для регулировки частоты. Предложенное устройство также содержит детектор 6 и устройство 7 измерения и управления, к которому подключен вход управления генератора 5 и выход детектора 6. Детектор 6 выполнен в виде фазового дискриминатора. Детектор 6 преобразует высокочастотный зондирующий сигнал, снимаемый с входа 3 и выхода 4 датчика, в выходное напряжение низкой частоты, причем выходное напряжение достигает минимума когда входные сигналы детектора 6 синфазны или противофазны. Детектор 6 подключен к датчику с помощью двух отрезков 8, 9 двухпроводной линии передачи, в качестве которой, как показано на фиг. 1-10, применен коаксиальный кабель. При этом первый вход детектора 6 соединен с входом 3 датчика посредством первого отрезка 8 коаксиального кабеля, второй вход детектора 6 соединен с выходом 4 датчика посредством второго отрезка 9. Дополнительные отрезки 8 и 9 имеют одинаковую электрическую длину. Отрезки 8, 9 на выходах, подсоединенных к входам детектора 6, выполнены согласованными, что достигается, например, подсоединением согласующих резисторов 10 и 11 параллельно выходам указанных отрезков. Сопротивление резисторов 10, 11 выбрано таким образом, что сопротивление входов детектора 6 вместе с подключенными к ним параллельно указанными резисторами, было равно волновому сопротивлению коаксиальных кабелей, из которых выполнены отрезки 8, 9. Указанное согласование обеспечивает для передаваемых по дополнительным отрезкам 8, 9 сигналов режим бегущих волн. В результате отношение уровней сигналов на входах и выходах отрезков 8, 9 остается неизменным, а при одинаковой электрической длине и разность фаз сигналов также сохраняется.

Выход генератора 5 подключен к входу 3 датчика или непосредственно или через входной отрезок 12 линии передачи, в качестве которой также может быть использован коаксиальный кабель. Подключение входного отрезка 12 и дополнительных отрезков 8, 9 выполнено следующим образом: сигнальные проводники отрезков 8, 9, 12 соединены с сигнальным проводником 1 датчика, экранные проводники указанных отрезков соединены с экранным проводником 2 датчика. Подключение первого отрезка 8 к входу 3 датчика может быть произведено через резистор 13, выполняющий функцию делителя мощности. Коэффициент деления напряжения этого делителя определяется следующим выражением:

где U_in - напряжение на входе делителя;

U_out - напряжение на выходе делителя;

ρ_cab - волновое сопротивление отрезка 8 линии передачи;

R - сопротивление резистора 13.

Для выравнивания электрических длин каналов, образованных первым и вторым дополнительными отрезками 8, 9, вход второго дополнительного отрезка 9 может быть подсоединен к выходу 4 датчика через дополнительный резистор 14, аналогичный по размерам резистору 13 на входе первого отрезка 8, но сопротивление резистора 14 должно быть мало или равно нулю.

Как показано на фиг. 1-8, сигнальный проводник 1 выполнен в виде металлического прутка, который на концах закреплен в электровводах 15, содержащих диэлектрический изолятор. Электровводы 15 служат для герметизации датчика и для передачи зондирующего сигнала в область, занимаемую контролируемым материалом.

На фиг. 2-4 показаны конструкции влагомера (устройства измерения) для контроля жидких и пастообразных материалов в трубопроводе, в потоке под давлением. В этом влагомере экранный проводник 2 выполнен в виде трубы, а сигнальный проводник 1 выполнен в виде металлического прутка, который расположен внутри трубы 2. Возможны четыре варианта выполнения прутка 1:

а) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет П-образную форму, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на боковой поверхности трубы (этот вариант представлен на фиг. 2);

б) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет Г-образную форму, концы прутка закреплены в электровводах 15, один из которых расположен на боковой поверхности трубы, а второй - на торцевой заглушке трубы (этот вариант представлен на фиг. 3);

в) пруток расположен внутри трубы параллельно ее оси и имеет форму прямого отрезка, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на торцевых заглушках с противоположных концов трубы;

г) пруток расположен внутри трубы перпендикулярно ее оси вдоль диаметра трубы, имеет форму прямого отрезка, концы прутка закреплены в электровводах 15, расположенных на боковой стенке трубы с противоположных ее сторон (этот вариант представлен на фиг. 4).

На фиг. 2-4 показаны варианты конструкции влагомера, у которого на внешней поверхности трубы 2 соосно с электровводами 15 установлены два металлических корпуса 16, выполненные в виде стаканов с отверстием в дне, причем электровводы 15 установлены в указанных отверстиях. На фиг. 2 показан вариант, в котором к корпусам 16 с помощью металлических трубок 17 прикреплен дополнительный корпус 18. В корпусе 18 размещен детектор 6, а отрезки 8, 9 кабелей подведены к детектору 6 через трубки 17. Влагомер такой конструкции может использоваться для контроля материалов с экстремальными температурами. Электронные компоненты детектора 6 термически изолированы от контролируемого материала. Генератор 5 и устройство 7 измерения и управления размещаются в отдельном корпусе 27 на расстоянии от датчика и соединены с датчиком только кабелями.

На фиг. 5 показан влагомер в варианте исполнения, предназначенном для контроля сыпучих материалов в бункерах, лотках, в шнеках или на лентах конвейера. У этого варианта экранный проводник 2 выполнен в виде щита, а сигнальный проводник 1 выпол