Устройство для определения концентрации смеси веществ

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения концентрации смесей различных веществ. Устройство 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. Особенность устройства состоит в том, что оно содержит также отрезок коаксиальной линии с чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний. Это позволяет повысить точность определения концентрации смеси веществ в условиях изменения электрофизических параметров контролируемой жидкости. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации смесей различных веществ, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перекачиваемых по трубопроводам.

Известны различные устройства для определения концентрации смесей, основанные на отличии электрофизических параметров жидкостей, образующих смесь (пат. США N 4751476, НКИ 331/65; пат. США N 4767982, НКИ 324/640; Европейский пат. N EP 0902276, кл. G 01 N 22/00; 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 техническое решение (авт. свид. СССР N 1497531, кл. G 01 N 22/04), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Для проведения измерений в трубопроводе объемные резонаторы встроены в него на его измерительном участке последовательно. Данное устройство позволяет определять концентрацию, в частности, влагосодержание базового вещества независимо от его сортности, которая является функцией электрофизических параметров этого вещества.

Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения. Причиной этого является контроль с помощью указанных резонаторов разных областей жидкости, что заведомо предопределяет принципиально снижение точности измерения при изменении в процессе измерения электрофизических параметров контролируемой жидкости.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для определения концентрации смеси веществ, содержащем контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде водноводного 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, оно содержит также отрезок коаксиальной линии с контактирующим со смесью вторым чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений. Хотя бы один из торцов волноводного резонатора может быть выполнен открытым в виде запредельного волновода или совокупности металлических линий, форма и расположение которых на поверхности этого торца соответствуют возбуждаемому в резонаторе типу колебаний. Наружная поверхность волноводного резонатора может быть покрыта диэлектрической оболочкой.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются: конструктивное совмещение чувствительных элементов, выполненных в виде волноводного резонатора и нагрузочного сопротивления отрезка коаксиальной длинной линии; выполнение хотя бы одного из торцов волноводного резонатора открытым; покрытие наружной поверхности волноводного резонатора диэлектрической оболочкой.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: обеспечение возможности контроля одной и той же области вещества, находящегося в технологической емкости, измерительной ячейке и др. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг. 1 показана частотная зависимость диэлектрической проницаемости дисперсного вещества в смеси. На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг. 3 показано размещение устройства при измерениях в технологическом аппарате. Здесь введены обозначения: 1 - волноводный резонатор, 2 и 3 - элементы возбуждения и схема колебаний в волноводном резонаторе, 4 - СВЧ-генератор, 5 - блок регистрации резонансной частоты, 6 и 7 - торцы волноводного резонатора, 8 - коаксиальная линия, 9 - блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты, 10 - блок вычислений, 11 - индикатор, 12 - стенка технологического аппарата.

Устройство работает следующим образом. Как и в прототипе, 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. Для проведения измерений в предлагаемом устройстве, как и в прототипе, 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 с СВЧ-диапазоне электромагнитных волн. На фиг. 1 показана такая зависимость ε(f). Выбирая, в частности, для одного измерительного канала ВЧ-диапазон (менее 100 МГц), а для другого - СВЧ-диапазон (≈ 10 ГГц), будем иметь разные зависимости и ε(f) в этих частотных диапазонах и, соответственно, разные, требуемые принципиально, зависимости информативных параметров - резонансных частот электромагнитных колебаний - от концентрации смеси. Осуществляя, как и в прототипе, совместное преобразование в блоке вычитаний резонансных частот двух измерительных каналов, можно обеспечить отсутствие зависимости (т.е. инвариантность) 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.

Первому измерительному каналу (СВЧ) в предлагаемом устройстве соответствует волноводный резонатор 1, расположенный в емкости с контролируемым веществом и содержащий это вещество внутри полости резонатора (фиг. 2). В резонаторе 1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью СВЧ-генератора 4 через элемент возбуждения колебаний 2. Определение резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента 3, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 5. Элементы 2 и 3 могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель (индуктивная связь).

Второму измерительному каналу (ВЧ) соответствует отрезок коаксиальной линии 8 с нагрузочным сопротивлением в виде чувствительного элемента на одном из его концов. Этот чувствительный элемент образован наружной поверхностью волноводного резонатора 1, также контактирующей с контролируемой смесью. Эта наружная поверхность резонатора 1 подсоединена к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на этом конце защемлен. В таком отрезке длинной (коаксиальной) линии как в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания. Для их возбуждения и определения резонансной частоты служит блок 9 (автогенератор), в котором отрезок коаксиальной линии является частотозадающим элементом. Для повышения добротности такого резонатора целесообразно покрыть наружную поверхность резонатора 1 диэлектрической оболочкой. При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является здесь двухслойным диэлектриком, характеризуемым эффективной диэлектрической проницаемостью.

Измеренные значения резонансных частот обоих измерительных каналов поступают в блок вычислений 10. С выхода этого блока сигнал, соответствующий концентрации смеси, поступает на индикатор 11. 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.

Для обеспечения свободного доступа контролируемой смеси веществ внутрь полости волноводного резонатора 1 хотя бы один из его торцов 6 и 7 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. В качестве торцевой стенки резонатора 1 может быть также совокупность металлических линий, образующих решетку, форма и расположение которых соответствует силовым линиям возбужденного в резонаторе типа колебаний, в частности, низшего типа H₁₁₁ (см. книгу Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989, с. 173 - 176).

На фиг. 3 показано размещение элементов предлагаемого устройства в технологическом аппарате (показана его металлическая стенка 12). Здесь эта стенка 12 служит экраном, с которым соединен наружный проводник коаксиальной линии.

Приведем оценки размеров чувствительных элементов и соответствующих им диапазонов частот электромагнитных волн. Так, если диаметр полости волноводного резонатора равен 10 мм, а его длина равна 15 мм, то рабочий диапазон частот следует выбрать выше частоты 20 ГГц - критической частоты для низшего типа колебаний H₁₁. При этом диапазон рабочих частот ВЧ-измерительного канала (отрезок коаксиальной линии с нагрузкой в виде ВЧ-чувствительного элемента) зависит от длины отрезка линии. При длине 1 м диапазон частот ≈ 75 МГц (для короткозамкнутого на одном конце отрезка линии; изменение частоты определяется диапазоном измерения концентрации смеси).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение концентрации смеси различных веществ независимо от электрофизических параметров базового контролируемого вещества в смеси.

Формула изобретения

1. Устройство для определения концентрации смеси веществ, содержащее 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, отличающееся тем, что оно содержит также отрезок коаксиальной линии с чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений.

2. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что хотя бы один из торцов волноводного резонатора выполнен открытым в виде запредельного волновода.

3. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что хотя бы один из торцов волноводного резонатора выполнен в виде совокупности металлических линий, форма и расположение которых на поверхности этого торца соответствует возбуждаемому в резонаторе типу колебаний.

4. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность волноводного резонатора покрыта диэлектрической оболочкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3