Устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости

 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения влажности жидких нефтепродуктов. Техническим результатом является повышение точности определения диэлектрической проницаемости за счет устранения перепутывания типов колебаний и устранения температурной погрешности, вызванной изменением линейных размеров объемного резонатора. Устройство содержит: цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью; перестраиваемый генератор СВЧ, связанный своим выходом через ответвитель с петлей связи с объемным резонатором; опорный генератор СВЧ и смеситель, на первый выход которого подается сигнал с опорного генератора СВЧ, а на второй - сигнал со второго выхода ответвителя; резонатор, содержащий вторую петлю связи, при этом петли связи расположены на середине длины, а плоскости их раскрыва - под углом 45 к оси резонатора; последовательно соединенные амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, своим выходом связанный с первым информационным входом микропроцессора, на второй информационный вход которого подается сигнал с выхода преобразователя частота-код, соединенного своим входом с выходом смесителя, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу перестраиваемого генератора СВЧ, а вход соединен с управляющим выходом микропроцессора. 2 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники, в частности к устройствам для измерения влажности жидких нефтепродуктов, и может найти применение в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

Известно устройство для определения параметров жидких магнитодиэлектриков, в том числе и диэлектрической проницаемости (патент РФ 2121670. Устройство для определения параметров жидких магнитодиэлектриков. Дмитриев Д.А. , Суслин М. А. и др. Бюл. 31, 1996 г.). В режиме измерения диэлектрической проницаемости устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора (ЦОР), на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, генератора постоянной частоты, объема твердого компенсационного СВЧ-феррита. С помощью полой металлической трубки, надетой на трубопровод, в ЦОР возбуждается электрическое колебание Е₀₁₀. Измерение диэлектрической проницаемости ε_ж компенсируется изменением величины диагонального компонента тензора магнитной проницаемости компенсационного СВЧ-феррита. Ток подмагничивания СВЧ-феррита является мерой ε_ж. Недостатком данного устройства является температурная погрешность, вызванная изменением компонентов тензора магнитной проницаемости СВЧ-феррита от температуры и возможность перепутывания основного типа колебания Е₀₁₀ с другими, например магнитным колебанием Н₀₁₁.

За прототип принято устройство для определения плотности по изменению диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости (С.С. Кивилис. "Плотномеры". - М. : Энергия, 1980, с. 251-252), cодержащее цилиндрический объемный резонатор (ЦОР), перестраиваемый генератор СВЧ, колебания которого через ответвитель направляются в ЦОР, cистему автоматической подстройки частоты (АПЧ), смещающую частоту колебаний перестраиваемого генератора СВЧ до совпадения с собственной частотой колебаний резонатора. Другая часть энергии перестраиваемого генератора СВЧ подается на смеситель, куда приходят также колебания опорного СВЧ-генератора, разностная частота с выхода смесителя используется в качестве меры плотности, от которой зависит диэлектрическая проницаемость и, следовательно, резонансная частота ЦОР.

Недостатком прототипа является недостаточная точность, причиной которой является возможность перепутывания основного типа колебания, например Е₀₁₀ или Н₀₁₁, с каким-то другим, а также необходимость калибровки устройства или при пустом ЦОР, или с жидкостью с известной диэлектрической проницаемостью.

Техническая задача изобретения - повышение точности определения диэлектрической проницаемости.

Поставленная техническая задача достигается тем, что устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости, содержащее цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, перестраиваемый генератор СВЧ, связанный своим выходом через ответвитель с петлей связи, опорный генератор СВЧ и смеситель, на первый выход которого подается сигнал с опорного генератора СВЧ, а на второй - сигнал со второго выхода ответвителя, дополнительно содержит вторую петлю связи, при этом петли связи расположены на середине длины, а плоскости их раскрыва - под углом 45^o к оси цилиндрического объемного резонатора, последовательно соединенные амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, своим выходом связанный с первым информационным входом микропроцессора, на второй информационный вход которого подается сигнал с выхода преобразователя "частота-код", соединенного своим входом с выходом смесителя, цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу перестраиваемого генератора СВЧ, а вход соединен с управляющим выходом микропроцессора.

На фиг. 1 изображена схема устройства для определения диэлектрической проницаемости жидкости.

Предложенное устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора (ЦОР) 1, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью 2, перестраиваемого генератора СВЧ 3, его колебания через ответвитель 4 подаются на петлю связи 5, петли связи 6, плоскости петель 5 и 6 расположены под углом 45^o к плоскости чертежа, а сами петли расположены посередине длины ЦОР, амплитудного детектора АД 7, аналого-цифрового преобразователя АЦП 8, выход которого соединен с первым информационным входом микропроцессора 9, а управляющий выход микропроцессора 9 со входом цифроаналогового преобразователя 10, выходной сигнал которого управляет частотой перестраиваемого генератора СВЧ 3, смесителя 12, на первый вход которого подаются колебания опорного генератора 11, на второй - колебания со второго выхода ответвителя, а его выход соединен со входом преобразователя "частота-код" 13, соединенного своим выходом со вторым информационным входом микропроцессора 9.

Мерой диэлектрической проницаемости в предлагаемом устройстве является разность резонансных частот ω колебаний ЦОР Е₁₁₁ и Н₀₁₁: Разность резонансных частот, рассчитанная итерационным методом [Суслин М. А. , Топильский А.В., Дмитриев Д.А. Итерационный метод расчета параметров СВЧ-преобразователей с многомодовыми режимами // 7-я Всероссийская научно-техническая конференция "Состояние и проблемы измерений": Тез. докл., Москва: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000], равна



где ε₀,μ₀ - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума, [Гн²/м] и [Гн/м]; а, l - соответственно радиус и длина ЦОР, [м]; b - радиус трубопровода, [м]; ε_ж - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости;
- функции Бесселя нулевого и первого порядка соответственно.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости работает в два цикла. В первом цикле СВЧ-колебания перестраиваемого генератора СВЧ 3 направляются в ЦОР 1 через ответвитель 4. Управление частотой перестраиваемого генератора СВЧ осуществляется кодом N_i={N_min; N_max} микропроцессора 9. При этом частота генератора СВЧ 3 изменяется от f_min до f_max. В ЦОР 1 петлей связи 5 последовательно возбуждаются колебания Н₀₁₁ и Е₁₁₁. Сигнал через петлю связи 6, АД7, АЦП8 поступает в микропроцессор 9, в котором запоминается код N_H011, соответствующий резонансной частоте колебания Н₀₁₁ и код N_E111 соответствующий резонансной частоте колебания Е₁₁₁.

Во втором цикле микропроцессор 9 формирует код N_H011. Частота перестраиваемого генератора СВЧ 3 устанавливается равной резонансной частоте колебания Н₀₁₁

Колебание этой частоты подается на первый вход смесителя, на второй вход которого поступает сигнал с опорного генератора СВЧ 11, имеющего постоянную частоту ω_оп. На смесителе 12 выделяется колебание разностной частоты Δω₁:

и в виде кода Δω₁ запоминается в микропроцессоре 9.

Далее микропроцессор 9 формирует код N_E111. Частота перестраиваемого генератора СВЧ 3 устанавливается равной резонансной частоте колебания E₁₁₁:

На смесителе 12 выделяется колебание разностной частоты Δω₂:

и в виде кода Δω₂ запоминается в микропроцессоре 9. Микропроцессор 9 по кодам Δω₁ и Δω₂ определяет разность резонансных частот:

и этой разности частот ставит в соответствие значение диэлектрической проницаемости жидкости ε_ж согласно аналитического выражения (2).

На фиг.2 показана экспериментальная зависимость тока детектора, включенного на выходе петли связи ЦОР при изменении частоты питающего генератора СВЧ. Параметры измерительной ячейки: длина ЦОР l=60 мм; радиус ЦОР а=35 мм; b/а= 0,2 мм; исследуемая жидкость - авиационный керосин марки РТ с 50% содержанием воды. Из графиков видно, что, установив определенный порог, можно отселектировать колебания кроме основных H₀₁₁ и Е₁₁₁. Из двух колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ необязательно определять тип колебания, так как измеряется разность резонансных частот, что устраняет возможность перепутывания (вырождения) типов колебаний. В связи с этим нет необходимости применения специальных фильтров колебаний, снижающих также добротность и основного колебания. А так как резонансные частоты колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ пустого ЦОР равны, то изменения температурного режима не сказывается на разности резонансных частот ЦОР: вырождение колебаний Н₀₁₁ и Е₁₁₁ сохраняется при вариации линейных размеров, что особенно существенно при работе датчика в полевых условиях, например при контроле влажности авиационного керосина.

Таким образом, в предложенном устройстве увеличение точности достигается за счет устранения перепутывания типов колебаний и температурной погрешности, вызывающей изменение линейных размеров ЦОР.

Для определения диэлектрической проницаемости ε_ж жидкостей с малым значением тангенса угла диэлектрических потерь (например, при концентрации влаги в керосине менее 2%) в качестве информативного параметра можно использовать разность частот колебаний Е₀₁₀ и Н₁₁₁, имеющих пучность электрического поля на оси ЦОР, в отличии от Н₀₁₁ и Е₁₁₁, имеющих на оси узел. Колебания Е₀₁₀ и Н₁₁₁ пустого ЦОР становятся вырожденными при определенной длине l ЦОР. А так как резонансные частоты Е₀₁₀ и H₁₁₁ - самые низкие, то эти колебания легко будет отселектировать от других типов колебаний Е_mnр и Н_mnр. Устройство для определения ε_ж остается тем же самым.

Формула изобретения

Устройство для определения диэлектрической проницаемости жидкости, содержащее цилиндрический объемный резонатор, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью, перестраиваемый генератор СВЧ, связанный своим выходом через ответвитель с петлей связи, опорный генератор СВЧ и смеситель, на первый выход которого подается сигнал с опорного генератора СВЧ, а на второй - сигнал со второго выхода ответвителя, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит вторую петлю связи, при этом петли связи расположены на середине длины, а плоскости их раскрыва - под углом 45^o к оси цилиндрического объемного резонатора, последовательно соединенные амплитудный детектор, аналого-цифровой преобразователь, своим выходом связанный с первым информационным входом микропроцессора, на второй информационный вход которого подается сигнал с выхода преобразователя частота-код, соединенного своим входом с выходом смесителя, цифро-аналоговый преобразователь, выход которого подключен к управляющему входу перестраиваемого генератора СВЧ, а вход соединен с управляющим выходом микропроцессора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2