Устройство для измерения концентрации смеси веществ

Предложенное устройство для измерения концентрации смеси различных веществ может быть использовано для измерения концентрации водно-спиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности. Технический результат - повышение точности измерений. Устройство содержит отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенного в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером. Чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. Длинная линия может быть выполнена в виде коаксиальной линии или экранированной двухпроводной линии с емкостным чувствительным элементом в виде, соответственно, цилиндрического конденсатора или экранированного плоского конденсатора. Поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующих с контролируемым веществом, может быть покрыта диэлектрической оболочкой. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации смесей различных веществ, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено для измерения концентрации водно-спиртовых растворов, виноматериалов и вин в винодельческой промышленности.

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 ЕР 0902276, М. 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 высокочастотные (ВЧ) радиоволновые чувствительные элементы (конденсаторы, отрезки длинных линий, резонаторы и др.). Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная зависимостью результатов измерений от разброса и нестабильности на практике значений входных емкостей связи ВЧ радиоволновых датчиков с электронными блоками измерительных устройств.

Известно также техническое решение (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Высокочастотный метод измерения неэлектрических величин. М.: Наука. 1989. С.42-43, 87-88), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит отрезок длинной линии, включенный в качестве частотозадающего элемента в схему автогенератора, подсоединенного к частотомеру. Данное устройство позволяет определять различные технологические параметры, в том числе концентрацию смеси веществ.

Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения, обусловленная нестабильностью используемых емкостных входных элементов связи.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения концентрации смеси веществ, содержащем отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенный с помощью элементов связи в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером, обеспечивается тем, что чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. Длинная линия может быть выполнена в виде коаксиальной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде цилиндрического конденсатора. Также длинная линия может быть выполнена в виде экранированной двухпроводной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде плоского конденсатора. Поверхности проводников чувствительного элемента, контактирующие с контролируемым веществом, могут быть покрыты диэлектрическими оболочками.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, является, во-первых, выполнение длинной линии в виде коаксиальной линии с емкостным чувствительным элементом в виде цилиндрического конденсатора или в виде экранированной двухпроводной линии с емкостным чувствительным элементом в виде экранированного плоского конденсатора. Во-вторых, выполнение элементов связи отрезка длинной линии с автогенератором в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками. В-третьих, поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующая с контролируемым веществом, покрыта диэлектрической оболочкой.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новые свойства: обеспечение возможности значительного снижения влияния нестабильности параметров входных элементов на величину информативного параметра, а также уменьшение габаритов (длины отрезка длинной линии) устройства.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг.1 и фиг.2 схематически изображены варианты предлагаемого устройства. На фиг.3 показана эквивалентная схема датчика предлагаемого устройства. На фиг.4 показан экспериментально полученный график зависимости изменения рабочей частоты от концентрации водно-спиртовой смеси. Здесь введены обозначения: 1 - чувствительный элемент, 2 - отрезок длинной линии, 3 - катушка индуктивности, 4 - автогенератор, 5 - частотомер, 6, 7 и 8 - соответственно, основная и дополнительные обмотки катушки индуктивности, 9 - диэлектрическая оболочка, 10, 11, 12 и 13 - электроды чувствительных элементов, 14 - металлическая полость, 15 - заземленный проводник (экран).

В первом варианте реализации устройства чувствительный элемент 1 может быть выполнен в виде конденсатора с коаксиально расположенными обкладками (фиг.1). Его центральный электрод 10 помещен в герметичную диэлектрическую оболочку 9. Наружный электрод 11 (экран) электрически соединен с наружным проводником коаксиальной линии 2. Во втором варианте реализации устройства (фиг.2) чувствительный элемент 1 может представлять собой плоский конденсатор, состоящий из двух электродов 12 и 13, находящихся в металлической полости 14 (экране). Эта полость (экран) электрически соединена с заземленным проводником 15 - экраном двухпроводной линии 2, выполненным, в частности, в виде металлической трубы. Хотя бы один или каждый (как показано на фиг.2) из этих электродов на фиг.1 и фиг.2 также помещен в соответствующую герметичную диэлектрическую оболочку 9.

В первом варианте реализации устройства (фиг.1) отрезок длинной линии выполнен в виде отрезка коаксиальной линии с чувствительным элементом 1 на одном из его концов в виде цилиндрического конденсатора; другой конец отрезка такой линии соединен с катушкой индуктивности 3. Во втором варианте (фиг.2) отрезок длинной линии выполнен в виде отрезка экранированной двухпроводной линии с экранированным плоским конденсатором на одном из его концов; другой конец такого отрезка линии, как и в первом варианте реализации устройства, соединен с катушкой индуктивности 3.

Катушка индуктивности 3 содержит три обмотки 6, 7 и 8: одну основную 6 и две дополнительные 7 и 8. Основная обмотка 6 соединена с помощью отрезка длинной линии (коаксиальной или двухпроводной) с чувствительным элементом 1, а дополнительные обмотки 7 и 8 служат для индуктивной связи с автогенератором 4 и предназначены, соответственно, для возбуждения электромагнитных колебаний в отрезке длинной линии и съема информативного сигнала. При этом дополнительные обмотки 7 и 8 должны иметь минимальную связь непосредственно между собой. Поэтому они располагаются у противоположных концов основной обмотки 6.

Устройство работает следующим образом. Чувствительный элемент 1, отрезок длинной линии 2 и катушка индуктивности 3 образуют электромагнитную колебательную систему. Ее резонансная частота электромагнитных колебаний зависит от параметров всех входящих в нее элементов. Параметры отрезка длинной линии 2 и катушки индуктивности 3 стабильны и практически не зависят от параметров контролируемого вещества. Поэтому резонансная частота изменяется функционально только с изменением емкости чувствительного элемента 1, которая, в свою очередь, зависит от электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости, тангенса угла диэлектрических потерь) контролируемого вещества, которым заполняется пространство между проводниками чувствительного элемента 1. В частности, таким веществом может являться водно-спиртовая смесь или виноматериал, процентное содержание спирта в которых подлежит определению.

Поскольку данная колебательная система включена в частотозадающую цепь автогенератора 4, с помощью которого в отрезке длинной линии 2 с нагрузочным чувствительным элементом 1 возбуждаются электромагнитные колебания. Частота генерации автогенератора 4 соответствует резонансной частоте данной колебательной системы. Измеряя частоту генерации с помощью частотомера 5, подсоединенного к автогенератору 4, можно определить электрофизические параметры контролируемого вещества и функционально с ними связанную концентрацию смеси веществ.

Водо- или/и спиртосодержащие смеси, в том числе водно-спиртовые растворы, виноматериалы, вина и др., являются несовершенными диэлектриками. Поэтому для увеличения добротности рассматриваемой колебательной системы и, соответственно, возможности получения информации путем измерения частоты генерации, зависящей от резонансной частоты колебательной системы, по меньшей мере один электрод, в частности центральный электрод коаксиального чувствительного элемента (цилиндрического конденсатора), и один или оба электрода симметричного чувствительного элемента (плоского конденсатора), соответственно, в первом и втором вариантах его реализации, помещены в диэлектрическую оболочку 9, препятствующую к тому же проникновению контролируемого вещества в пространство между проводниками отрезка длинной линии 2 (см. фиг.1 и фиг.2). При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является здесь одним из слоев двухслойного диэлектрика, характеризуемого эффективной диэлектрической проницаемостью.

Диапазон рабочих частот отрезка длинной линии 2 с нагрузкой в виде чувствительного элемента 1 зависит от длины отрезка линии. При длине 1 м рабочая частота ~ 75 МГц (для короткозамкнутого на одном конце отрезка линии; изменение частоты определяется диапазоном измерения концентрации смеси).

Рассматриваемый отрезок длинной линии 2 с оконечным чувствительным элементом 1 и катушкой индуктивности 3 - колебательную систему - можно в общем случае представить в виде эквивалентной схемы, приведенной на фиг.3. Здесь обозначено: L - индуктивность собственно катушки; L_вн - индуктивность, вносимая элементами связи; С_вн - емкость, вносимая элементами связи; С_л - емкость отрезка длинной линии, соединяющей катушку индуктивности и чувствительный элемент 1; С_чэ - емкость чувствительного элемента в отсутствие контролируемого вещества.

Так, в частности, в реальном устройстве на основе отрезка коаксиальной длинной линии значения указанных элементов следующие: L=5 мкГн, С_л=2 пФ, С_чэ=6,5 пФ. Размеры отрезка коаксиальной линии: длина 100 мм, диаметр наружного проводника (экрана) 10 мм, диаметр внутреннего проводника 1 мм. Размеры чувствительного элемента: длина 50 мм, диаметр экрана 23 мм, диаметр внутреннего проводника 12 мм, толщина его диэлектрической оболочки из фторопласта 1 мм. При этих значениях рабочая частота устройства составляет ~ 25 МГц при отсутствии контролируемого вещества и ~ 12 МГц при погружении его в водно-спиртовой раствор. На фиг.4 приведен полученный экспериментально график зависимости изменения рабочей частоты f - f(9,2%), в килогерцах, от процентного содержания С спирта в воде в диапазоне его изменения 9,2-15,1%. Здесь ƒ(9,2%) - значение рабочей частоты f при С=9,2%. При проведении данных измерений применено рассматриваемое устройство на основе отрезка коаксиальной линии, имеющее вышеуказанные параметры. Данный график свидетельствует о работоспособности устройства и возможности его практического применения для измерения концентрации смесей веществ.

Для обеспечения максимальной чувствительности к контролируемому параметру (концентрации) необходимо обеспечить выполнение следующего неравенства: С_чэ>>С_л+С_вн. На практике выполнить данное условие удается не всегда; вместе с тем при вышеуказанных, в частности, конкретных значениях параметров элементов чувствительность устройства является вполне достаточной. Кроме того, для обеспечения минимальной погрешности необходимо минимизировать величину С_вн, поскольку эта величина наиболее нестабильная. Ее величина определяется входящими в нее емкостью линий связи и собственной емкостью автогенератора.

При сравнительном анализе двух типов связи - емкостной, как в прототипе, и рассматриваемой здесь индуктивной, предпочтение следует отдать последней, так как при таком типе связи значение емкости С_вн минимально.

Кроме того, для обеспечения надежной работы конструкции устройства с симметричным чувствительным элементом - плоским конденсатором - необходимо иметь и симметричное (с помощью двух дополнительных обмоток) его возбуждение, что наилучшим образом реализуется только при индуктивной связи, применяемой в предлагаемом устройстве.

В предлагаемом устройстве длинная линия 2 может при том же рабочем диапазоне частот, что и в прототипе, иметь существенно меньшую длину за счет соответствующего выбора значений индуктивностей 6, 7 и 8 катушки индуктивности 3. Это позволяет значительно уменьшить габариты устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение концентрации различных виноматериалов, вин, водно-спиртовых растворов и других смесей различных веществ.

1. Устройство для измерения концентрации смеси веществ, содержащее отрезок длинной линии с оконечной нагрузкой в виде контактирующего с контролируемой смесью чувствительного элемента, включенный с помощью элементов связи в частотозадающую цепь автогенератора, соединенного с частотомером, отличающееся тем, что чувствительный элемент выполнен емкостным, а элементы связи - в виде катушки индуктивности с одной основной, подсоединенной ко входу отрезка длинной линии, и двумя дополнительными, подключенными к автогенератору, обмотками.

2. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что длинная линия выполнена в виде коаксиальной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде цилиндрического конденсатора.

3. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что длинная линия выполнена в виде экранированной двухпроводной линии, а емкостный чувствительный элемент - в виде экранированного плоского конденсатора.

4. Устройство для измерения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что поверхность по меньшей мере одного из проводников чувствительного элемента, контактирующих с контролируемым веществом, покрыта диэлектрической оболочкой.