Способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности жидких сред

 

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости γ жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости преимущественно пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред в процессе производства в химической и других областях промышленности. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что вдоль волновода поверхностных волн в виде круглого диэлектрического трубопровода, заполненного исследуемой проточной жидкостью с параметрами ε, γ и μ = 1, возбуждают после поверхностной медленной волны, устанавливают режим бегущих волн и измеряют напряженности поля над диэлектрическим трубопроводом в разнесенных точках в радиальной и горизонтальной плоскостях по направлению распространения поля поверхностной медленной волны, по соотношению соответствующих напряженностей определяют затухания поля в этих плоскостях и по величине коэффициента нормального затухания поля над диэлектрическим трубопроводом определяют величину диэлектрической проницаемости жидкости, а по величине затухания поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического трубопровода определяют величину удельной проводимости жидкости; устанавливают режим стоячих волн и определяют величину диэлектрической проницаемости по длине волны над диэлектрическим волноводом как удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режиме непрерывного или дискретного сканирования. Техническим результатом является повышение точности и безопасности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к способам измерения диэлектрической проницаемости ε и удельной проводимости γ жидких дисперсных систем и может быть использовано для контроля и регулирования величин диэлектрической проницаемости и удельной проводимости, преимущественно пожаро-взрывоопасных и агрессивных жидких сред, в процессе производства в химической и других областях промышленности.

Известен способ определения диэлектрической проницаемости для исследования жидкостей с большим поглощением /W.A.Heston, E.J.Henellv, C.P.Smyth. Абсорбция СВЧ и молекулярная структура жидкостей, Journ. Amer. Chem. Soc., 1948, 70, 12, 4093-4097/, включающий помещение жидкости в секцию волновода, отделенную от воздушной части измерительной установки тонкой слюдяной пластинкой. В жидкость помещен свободно перемещающийся поршень, которым устанавливают высоту столба жидкости. В непосредственной близости к слюдяной перегородке расположен направленный ответвитель, регистрирующий отраженную волну. Путем перемещения поршня от слюдяной пластинки вверх индикатором регистрируют минимумы и максимумы отраженной волны. Максимальные показания соответствуют толщине слоя жидкости, когда отраженные волны от верхней и нижней его поверхностей совпадают по фазе. Далее регистрируют высоту столба жидкости, когда амплитуда осцилляции отраженной волны пропадает, стремясь к некоторому постоянному значению, и определяют величину диэлектрической проницаемости.

Недостатками способа является непосредственное помещение жидкости в полость волновода, что сопровождается трудностями ввода и вывода, наличием застойных явлений, излучением электромагнитной энергии через устройства ввода-вывода ферромагнитной жидкости, малая точность и технологические трудности измерения величины диэлектрической проницаемости, а также невозможность исследования жидкостей с малыми потерями.

Известен также способ измерения величины диэлектрической проиницаемости, принятый за прототип, заключающийся в возбуждении электромагнитной волны вдоль диэлектрического стержня, упирающегося в металлический экран /C.M. McKinney, D. M.Duff. Метод измерения диэлектрической постоянной твердых тел на СВЧ, Rev.Sci.Instr., 1954, 25, 9, 925-926/, при этом устанавливают режим стоячих волн, индикатором вдоль диэлектрического волновода определяют длину волны в нем и по соотношению длин волн генератора и диэлектричекого волновода определяют величину диэлектрической проницаемости жидкости.

Недостатками способа является высокая погрешность измерений из-за трудно учитываемого высокочастотного излучения, отсутствие возможности измерения диэлектрической проницаемости жидких сред.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности и безопасности измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких сред, минимизация габаритов и массы измерителя, упрощение устройств ввода и вывода жидкости в зону взаимодействия с полем поверхностной волны.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что вдоль волновода поверхностных волн в виде круглого диэлектрического трубопровода, заполненного исследуемой проточной жидкостью с параметрами ε, γ и μ = 1, возбуждают поле поверхностной медленной волны, устанавливают режим бегущих волн (БВ) и измеряют напряженности поля |E| над диэлектрическим трубопроводом в разнесенных точках в радиальной и горизонтальной плоскостях по направлению распространения поля поверхностной медленной волны, по соотношению соответствующих напряженностей определяют затухания поля в этих плоскостях и по величине коэффициента нормального затухания поля над диэлектрическим трубопроводом определяют величину диэлектрической проницаемости жидкости, а по величине затухания поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического трубопровода определяют величину удельной проводимости жидкости; устанавливают режим стоячих волн (СВ) (KCB≈10÷15) и определяют величину диэлектрической проницаемости по длине волны над диэлектрическим волноводом как удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режиме непрерывного или дискретного сканирования.

Сущность способа поясняется следующим. Из теории СВЧ линий передач /Фальковский О.И. Техническая электродинамика. - М.: Связь, 1978/ известно, что волноводам поверхностных волн в диапазоне СВЧ присущ главный эффект - зависимость величины коэффициента замедления ν₂ от электрофизических свойств (ε, μ) и геометрических параметров специально организованной замедляющей структуры (ЗС) на волноводах поверхностных волн, вдоль которой распространяется медленная электромагнитная волна (ЭМВ), носящая поверхностный характер и обладающая затуханием амплитуды ЭМВ в направлении ее распространения вдоль ЗС и в нормальном по отношению к вектору Пойнтинга направлении над ЗС. Причем затухание волны определяется потерями в среде и величиной ν₂ соответственно.

ЗС на основе волновода поверхностных волн в виде диэлектрического трубопровода радиуса а, толщиной Δ, заполненного проточной жидкостью с параметрами ε, γ и μ = 1 показана на фиг.1. Измеряемая напряженность поля |E| над ЗС зависит: при фиксированной величине Z - от величины коэффициента затухания поля над ЗС α_r, функционально связанной с ν₂ = f₁(ε), а при фиксированной величине r≥a+Δ - от величины погонного затухания α_z, связанной линейно с величиной потерь ЭМВ в жидкости, характеризующейся удельной проводимостью.

Толщина диэлектрического трубопровода Δ<<a, тогда становится практически не существенной величина соотношения ε/ε_д, практически лежащая в пределах 0,5÷15, или трубопровод изготавливается из радиопрозрачного материала ε_д≈1, например из высокоплотного пенопласта, в котором удобно фиксировать систему приемных устройств. Поэтому влиянием трубопровода на параметры ЗС можно пренебречь.

Рассматриваются два режима измерения параметров диэлектрической проницаемости и удельной проводимости - режима работы ЗС на диэлектрическом волноводе: режим БВ (КБВ≈0,85) - определение ε и γ по величине α_r и α_z, соответственно; режим СВ (КСВ≈10÷15) - определение величины ε по длине волны над ЗС - удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режиме непрерывного (дискретного) сканирования.

Вдоль диэлектрического волновода может распространяться большое, но конечное число типов волн, причем для них существуют две волны с наибольшей λ_кр, которые всегда могут распространяться вдоль диэлектрического волновода. Степень концентрации энергии волны у поверхности диэлектрического волновода поверхностных волн и его канализирующие свойства зависят от частоты. В таком волноводе могут существовать раздельно симметричные E_on и H_on и несимметричные гибридные НЕ_mn и ЕН_mn волны.

Из осесимметричных волн наибольший интерес представляют волны E₀₁ и H₀₁, а из несимметричных волн наиболее удобной с практической точки зрения является линейно поляризованная волна НЕ₁₁. Все эти типы волн могут быть возбуждены в диэлектрическом волноводе коническим рупором. При возбуждении волны типа Н₁₁ в рупоре, а соответственно, в волноводе поверхностных волн - НЕ₁₁, радиус диэлектрического волновода выбирают из условия одномодовости режима волны Н₁₁: где ε_в - верхнее значение диапазона измерений диэлектрической проницаемости.

Условия одномодового режима волн E₀₁ и H₀₁ имеют вид: для волны E₀₁: для волны Н₀₁: здесь ε_н - нижнее значение диапазона измеряемых величин ε.
Из условий одномодовости (1) - (3) следует, что
волна НЕ₁₁ может применяться для измерения ε в широком (на порядок) диапазоне ее изменения;
отношение величины (ε_в-1)/(ε_н-1) для H₀₁<3,42, а для E₀₁<5,36, что позволяет использовать эти волны в узком диапазоне измерения ε.
Поля волн над волноводом при r≥а (над ЗС) имеют следующую структуру:
волна H₀₁:
E_r = AK₁(α_rr). (4)
волна E₀₁:

E_z = AK₀(α_rr);
суммарное поле

здесь А - амплитудный коэффициент, определяющийся мощностью ГСВЧ;
К₀ и K₁(α_rr) - модифицированные цилиндрические функции, при реально больших значениях величины (α_rr>>1) аппроксимируются выражением

волна НЕ₁₁ имеет три составляющих, измеряемую Е_r (см. составляющую E₀₁), E_ϕ, и очень малую по величине E_z.

Измеряемым параметром будет отношение напряженностей поля, измеряемых при фиксированном Z, при разных г от поверхности волновода (r₁>r₁=const)

Таким образом, натуральный логарифм отношения измеренных напряженностей поля медленной поверхностной волны пропорционален величине коэффициента затухания α_r, характеризующего ε

где коэффициент ν₂

здесь X_mn(Y_mn) - характеристические числа, для НЕ₁₁ - 1,84, H₀₁ - 3,83, E₀₁ - 2,405.

Коэффициент затухания α_z, зависящий от величины γ жидкости, максимален для волны НЕ₁₁ и имеет вид

здесь R - фактор затухания, зависящий от величин a/λ_г, ε, оптимальное (максимальное) значение которого, для целей измерения γ, лежит при значениях a/λ_г (при разных ε) в пределах 0,2<a/λ_г<0,4; tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь.

На фиг. 2 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ. Устройство состоит из вибраторов и рамки возбуждения волн E₀₁, H₀₁, Н₁₁ 1, излучающего конического рупора 2, приемного рупора, обеспечивающего режим бегущих волн 3, цилиндрической кюветы с проточной жидкостью 4, радиопрозрачных держателей 5, электромагнитного экрана, радиусом R_э, 6, металлического отражателя, обеспечивающего режим стоячих волн 7, приемных вибраторов 8 (10 - "притовофазное" расположение вибраторов для измерения коэффициента радиального затухания), канала ввода-вывода жидкости 9.

В устройстве реализован предложенный способ раздельного измерения параметров жидкости с потерями:
режим БВ (КБВ≈0,85) - определение ε и γ по величине α_r и α_z, соответственно;
режим СВ (KCB≈10÷15) - определение величины ε по длине волны над ЗС как удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режиме непрерывного или дискретного сканирования.

Радиус общего электромагнитного экрана должен быть R_э>>a так, чтобы его влияние на поле поверхностной волны было пренебрежимо мало. Для λ_r = 3 см, при а=1 см, величина R_э=5 см.

Технико-экономический эффект от применения предлагаемого способа заключается в повышении точности и безопасности измерения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости агрессивных жидких сред за счет отсутствия гальванического контакта с измеряемой жидкой средой, высокой чувствительности к изменению величины диэлектрической проницаемости, инвариантности измерений к виду волны и независимости измерений от расстояния приемных вибраторов до поверхности замедляющей структуры (ЗС); минимизации габаритов и массы измерителя, упрощении устройств ввода и вывода ферромагнитной жидкости в зону взаимодействия с полем поверхностной волны.

Формула изобретения

Способ бесконтактного определения диэлектрической проницаемости и удельной проводимости жидких сред, включающий возбуждение вдоль волновода поверхностных волн поля поверхностной медленной волны и последующую регистрацию изменения параметров, характеризующих высокочастотное излучение, отличающийся тем, что вдоль волновода поверхностных волн в виде круглого диэлектрического трубопровода, заполненного исследуемой проточной немагнитной жидкостью, обладающей диэлектрической проницаемостью ε и удельной проводимостью γ, устанавливают режим бегущих волн, измеряют напряженности поля |E| над диэлектрическим трубопроводом в разнесенных точках в радиальной и горизонтальной плоскостях по направлению распространения поля поверхностной медленной волны, определяют затухание поля в этих плоскостях, по соотношению соответствующих напряженностей и по величине коэффициента нормального затухания поля над диэлектрическим трубопроводом определяют величину диэлектрической проницаемости, а по величине затухания поля медленной поверхностной волны вдоль диэлектрического трубопровода определяют величину удельной проводимости жидкости, устанавливают режим стоячих волн, определяют величину диэлектрической проницаемости по длине волны над диэлектрическим трубопроводом как удвоенной разности расстояния между соседними минимумами поля в режимах непрерывного или дискретного сканирования.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2