Трубчатый датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости

 

Изобретение относится к измерительной технике сверхвысоких частот. В частности, оно может использоваться в системах оперативного контроля параметров жидкостей в разного рода технологических процессах. Техническим результатом изобретения является адаптация датчика к измерениям диэлектрических характеристик жидкостей и улучшение представительности измеряемой им пробы в системах оперативного контроля разного рода технологических процессов. Датчик содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую нанесены два полосковых проводника, электромагнитно связанных между собой, причем диэлектрическая подложка имеет форму трубы, заземляемое основание нанесено на внешнюю цилиндрическую поверхность трубы, и в нем выполнены два окна, в которых расположены контактные площадки для емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи, а сами полосковые проводники нанесены на внутренней цилиндрической поверхности трубы диаметрально противоположно. Для измерений датчик монтируется как часть трубопровода либо образует стенки измерительной кюветы, а диэлектрические характеристики жидкости определяются либо по частотному положению и глубине полюса затухания на АЧХ датчика, либо по частотному положению максимума и величине проходящей через него СВЧ-мощности. 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и технике сверхвысоких частот. В частности, оно может использоваться в системах оперативного контроля параметров жидкостей в разного рода технологических процессах.

Известна ячейка для измерения диэлектрической проницаемости жидкости [1] , содержащая проходной цилиндрический диэлектрический резонатор с металлизированной поверхностью и окнами связи с линиями передачи, в котором выполнено сквозное аксиальное отверстие под исследуемую жидкость. Вещественная часть диэлектрической проницаемости жидкости определяется по изменению частоты резонатора для колебаний типа H₀₁₁, а мнимая часть - по изменению добротности резонатора. Такая ячейка имеет хорошую представительность пробы, т. к. плотность энергии электрического поля на частоте рабочей моды резонатора распределена сравнительно равномерно по сечению аксиального отверстия в нем. Однако в таком резонаторе возможно возбуждение мод колебаний на частотах, близких к рабочей и даже вырожденных. Это обстоятельство сужает динамический диапазон и снижает достоверность измерений.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков аналогом является датчик для исследования диэлектрической проницаемости материалов на сверхвысоких частотах [2] , содержащий диэлектрическую подложку, одна сторона которой полностью металлизирована и играет роль заземляемого основания, а на второй стороне нанесены два полосковых проводника, электромагнитно связанных друг с другом и образующих, таким образом, двухзвенную микрополосковую секцию. Амплитудно-частотная характеристика такой секции имеет полюс затухания, частотное положение которого зависит от величины действительной части диэлектрической проницаемости образца, помещенного на зазоре между полосковыми проводниками, а уровень затухания на частоте полюса - от величины мнимой части диэлектрической проницаемости. Соответственно по сдвигу частоты полюса определяется действительная часть диэлектрической проницаемости образца, а по изменению затухания на частоте полюса - мнимая. Такой датчик обладает высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном. Кроме того, зависимость частоты полюса затухания от действительной части диэлектрической проницаемости образца линейна в широком диапазоне изменения последней. Однако такой датчик проблематично использовать для измерения диэлектрических характеристик жидкостей, т. к. , во-первых, этому препятствует кондуктивный способ его подключения к линиям передачи, а во-вторых, он имеет низкую представительность пробы вследствие того, что энергия высокочастотного электрического поля, взаимодействующего с образцом, сосредоточена в основном в зазоре между полосковыми проводниками и непосредственной его близости. Последнее обстоятельство имеет большое значение при использовании датчика для измерений характеристик неоднородных жидкостей, например в измерителях влажности нефтепродуктов.

Техническим результатом изобретения является адаптация датчика к измерениям диэлектрических характеристик жидкостей и улучшение представительности измеряемой им пробы в системах оперативного контроля разного рода технологических процессов.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости содержит диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую нанесены два полосковых проводника, электромагнитно связанных между собой, причем диэлектрическая подложка имеет форму трубы, заземляемое основание нанесено на внешнюю цилиндрическую поверхность трубы, и в нем выполнены окна, в которых расположены контактные площадки для емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи, а сами полосковые проводники нанесены на внутренней цилиндрической поверхности трубы диаметрально противоположно.

Отличия заявляемого устройства от наиболее близкого аналога заключаются в том, что диэлектрическая подложка выполнена в форме трубы, а в заземляемом основании подложки выполнены окна, в которых расположены металлизированные контактные площадки, образующие цепи емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи.

Изобретение поясняется чертежами, на которых изображены общий вид заявляемого датчика (Фиг.1), сечение плоскостью, проходящей через ось датчика и полосковые проводники (Фиг.2а), сечение плоскостью, проходящей перпендикулярно оси датчика через контактные площадки (Фиг.2б). Сечения изображены повернутыми на 90^o относительно Фиг.1.

Заявляемый датчик представляет собой диэлектрическую трубу 1 (Фиг 1 и 2), внешняя цилиндрическая поверхность которой покрыта слоем металла 2 (Фиг 1 и 2), играющим роль заземляемого основания. На внутренней цилиндрической поверхности диэлектрической трубы нанесены диаметрально противоположно друг другу полосковые проводники 3 и 4 (Фиг 1 и 2). В заземляемом основании 2 выполнены окна 5 и 6 (Фиг 1 и 2), в которых нанесены контактные площадки 7 и 8 (Фиг 1 и 2), благодаря которым осуществляется емкостная связь полосковых проводников 3 и 4 с линиями передачи. Для проведения измерений заявляемый датчик может быть вмонтирован в разрез трубопровода, либо в отвод от него, а будучи закрыт с одного конца, может служить измерительной кюветой.

Ни Фиг.3 приведена амплитудно-частотная характеристика датчика (сплошная линия). Она имеет две особенности, первая из которых полюс затухания - острый минимум прохождения сигнала, частотное положение которого обозначено f_p, вторая особенность - максимум прохождения, частотное положение которого обозначено f_r. Максимум прохождения обусловлен полуволновыми резонансами, возбуждаемыми в полосковых проводниках. Его частотное положение зависит от конструктивных параметров датчика, таких как длина полосковых проводников и их ширина, толщина стенки диэлектрической трубы и диэлектрическая проницаемость материала, из которого она изготовлена. Кроме того, частота максимума зависит от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего трубу. Полюс затухания обусловлен компенсацией частотно-зависимых емкостного (электрического) и индуктивного (магнитного) взаимодействий между полосковыми проводниками. Его частотное положение также определяется конструктивными параметрами датчика и существенным образом зависит от диэлектрической проницаемости материала, заполняющего трубу, так как от ее величины зависит величина емкостного взаимодействия между полосковыми проводниками [2]. На Фиг. 3 для иллюстрации вышесказанного штрихованной линией приведена АЧХ датчика, заполненного материалом с диэлектрической проницаемостью ε =3. Глубина полюса, т.е. величина затухания в нем, существенным образом зависит от величины диэлектрических потерь в образце [2]. Поскольку полосковые проводники заявляемого датчика расположены диаметрально противоположно, то энергия высокочастотного электрического поля на частоте измерения будет распределена почти равномерно во всем объеме датчика, в отличие от датчика-прототипа, а следовательно, представительность измеряемой предлагаемым датчиком пробы будет значительно выше.

Для проведения измерений датчик одной из контактных площадок, например 7, подключается к генератору качающейся частоты, а второй контактной площадкой 8 - к схеме, измеряющей частоту минимума прохождения сигнала, и по ее значению определяется диэлектрическая проницаемость образца. По мощности сигнала в минимуме определяются диэлектрические потери. Для измерения жидкости, имеющей постоянную величину диэлектрических потерь, измерительная схема значительно упрощается. В этом случае к одной из контактных площадок подключается стабильный СВЧ-генератор, а ко второй - измеритель мощности. Частота генератора выбирается такой, чтобы она попадала на склон АЧХ вблизи полюса затухания. При изменении диэлектрической проницаемости измеряемой жидкости в результате смещения полюса, вызванного этим изменением, уровень прошедшего датчик сигнала меняется и, таким образом, по его величине определяется искомая величина.

Определять диэлектрические характеристики исследуемой жидкости можно и по максимуму прохождения СВЧ-сигнала через датчик, т.е. по частоте максимума и уровню потерь на его частоте.

ЛИТЕРАТУРА 1. А.с. СССР 420957, кл. G 01 R 27/26.

2. Б.А. Беляев, А.А. Лексиков, В.В. Тюрнев, Ю.Г. Шихов. Приборы техника эксперимента, 1997, 3, с.112-115 (прототип).

Формула изобретения

Датчик для измерения диэлектрических характеристик жидкости, содержащий диэлектрическую подложку, на одну сторону которой нанесено заземляемое металлизированное основание, а на вторую нанесено два полосковых проводника, электромагнитно связанных между собой, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка имеет форму трубы, а в заземляемом основании, нанесенном на внешнюю цилиндрическую поверхность трубы, выполнены окна, в которых расположены контактные площадки для емкостной связи полосковых проводников с линиями передачи.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3