Устройство для измерения физических свойств жидкости

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях. Устройство для измерения физических свойств жидкости содержит чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него и параллельно ему внутреннего проводника, и электронный блок для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты, к которому подключены первым концом внутренний проводник и металлический цилиндр. Внутренний проводник имеет U-образную форму, между вторым концом которого и металлическим цилиндром подключено реактивное сопротивление. Внутренний U-образный проводник отрезка длинной линии может быть покрыт диэлектрической оболочкой. У верхнего конца отрезка длинной линии между его проводниками перпендикулярно им размещена диэлектрическая пластина, герметично фиксирующая измерительный объем. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.). В частности, оно может быть применено в пищевой промышленности для измерения концентрации коптильных препаратов, водо-спиртовых растворов и др.

Известны различные устройства для определения физических свойств жидкостей, основанные на измерении электрофизических параметров (диэлектрической проницаемости или (и) тангенса угла диэлектрических потерь) жидкостей с применением радиоволновых ВЧ и СВЧ резонаторов, содержащих контролируемую жидкость (монографии: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.37-144; Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. - М.: Наука. 1989. Стр.168-177). Недостатком таких измерительных устройств является их ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками: для диэлектрических жидкостей с большими диэлектрическими потерями добротность резонаторов может быть малой величиной и, соответственно, фиксируемые значения информативных сигналов малы для надежной регистрации.

Известно также техническое решение (монография: Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз. 1963. Стр.125-133), которое по технической сущности наиболее близко к предлагаемому устройству и принято в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит чувствительный элемент (измерительную ячейку) в виде отрезка коаксиальной длинной линии, являющегося резонатором с колебаниями основного типа ТЕМ (Transverse ElectroMagnetic mode), подключаемого к электронному блоку для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения его резонансной частоты.

Недостатком этого устройства-прототипа является ограниченная область применения, обусловленная возможностью контроля лишь веществ, являющихся достаточно хорошими диэлектриками. Как и в устройствах-аналогах, заполнение пространства между проводниками коаксиального резонатора приводит к значительному снижению его добротности и, как следствие, затруднениям с регистрацией информативного сигнала (резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка длинной линии). При попытках расширить область применения устройства-прототипа, сделав его пригодным для контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами путем покрытия его внутреннего проводника диэлектрической оболочкой, возникает другая трудность: в качестве внутреннего проводника отрезка длинной линии невозможно использовать стандартные провода с электрической изоляцией, что весьма целесообразно делать на практике. Это вызвано тем, что при использовании таких проводов возникает необходимость применения специальных мер по герметизации концевых участков этих проводов для исключения электрического контакта между этим проводником и контролируемой жидкостью, являющейся несовершенным диэлектриком с достаточно большой величиной проводимости. На практике осуществление такой герметизации создает дополнительные трудности при изготовлении, тем более серийном, таких устройств.

Целью предлагаемого изобретения является расширение области применения за счет обеспечения возможности контроля жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для измерения физических свойств жидкости, содержащем располагаемый в контролируемой жидкости чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него и параллельно ему внутреннего проводника, и электронный блок для возбуждения в отрезке длинной линии электромагнитных колебаний и измерения резонансной частоты, к которому подключены первым концом внутренний проводник и металлический цилиндр, обеспечивается тем, что внутренний проводник имеет U-образную форму, между вторым концом которого и металлическим цилиндром подключено реактивное сопротивление. Внутренний U-образный проводник отрезка длинной линии может быть покрыт диэлектрической оболочкой. Реактивное сопротивление может быть равным нулю или бесконечности путем, соответственно, подсоединения накоротко второго конца внутреннего U-образного проводника к металлическому цилиндру и размыкания этого проводника и металлического цилиндра. В последнем случае второй конец внутреннего U-образного проводника может быть подсоединен к электронному блоку или к первому концу этого проводника. У верхнего конца отрезка длинной линии между его проводниками перпендикулярно им может быть размещена диэлектрическая пластина, герметично фиксирующая измерительный объем.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются: 1) внутренний проводник отрезка длинной линии имеет U-образную форму; 2) подключение между вторым концом внутреннего проводника и металлическим цилиндром реактивного сопротивления; 3) внутренний U-образный проводник отрезка длинной линии может быть покрыт диэлектрической оболочкой; 4) выбор реактивного сопротивления равным нулю путем подсоединения накоротко второго конца внутреннего U-образного проводника к металлическому цилиндру; 5) выбор реактивного сопротивления равным бесконечности путем размыкания второго конца внутреннего U-образного проводника и металлического цилиндра; 6) подсоединение второго конца внутреннего U-образного проводника к электронному блоку; 7) подсоединение второго конца внутреннего U-образного проводника к его первому концу.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: возможность измерения физических свойств жидкости с произвольными электрофизическими параметрами, включая те, которые являются несовершенными диэлектриками с большой величиной проводимости.

Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг.1 изображена конструкция отрезка длинной линии, имеющей U-образный внутренний проводник: а) внутренний проводник без диэлектрической оболочки; б) внутренний проводник, покрытый диэлектрической оболочкой. На фиг.2 - варианты конструкции устройства, содержащего подключенные к электронному блоку проводники отрезка длинной линии. На фиг.3 приведена дифференциальная схема устройства с рабочим и опорным измерительными каналами.

Здесь введены обозначения: 1 - контролируемая жидкость, 2 - U-образный внутренний проводник, 3 - металлический цилиндр, 4 - диэлектрическая оболочка, 5 - диэлектрическая изолирующая пластина, 6 - электронный блок, 7 - реактивное сопротивление, 8 - автогенератор, 9 - делитель частоты, 10 - вычитающее устройство, 11 - индикатор.

Чувствительный элемент в виде отрезка длинной линии погружается в емкость с контролируемой жидкостью 1 или может быть заполнен ею для проведения измерений. Такой чувствительный элемент, изображенный схематически на фиг.1, содержит U-образный внутренний проводник 2 и металлический цилиндр 3, служащий экраном. Внутренний проводник 2 может быть покрыт диэлектрической оболочкой 4. Диэлектрическая изолирующая пластина 5, герметично фиксирующая измерительный объем, может быть размещена у верхнего конца отрезка длинной линии между его проводниками перпендикулярно им; она препятствует проникновению контролируемой жидкости в зону расположения элементов электронного блока 6 (в частности, электрической схемы автогенератора). Это позволяет предотвратить нарушение работоспособности схемы автогенератора и тем самым обеспечить нормальные условия функционирования измерительного устройства. Кроме этого, введение указанной диэлектрической изолирующей пластины обеспечивает получение постоянного объема контролируемой жидкости, что требуется для проведения высокоточных измерений.

Устройство работает следующим образом. Отрезок длинной линии, образуемый совокупностью внутреннего U-образного проводника 2 и металлического цилиндра 3, подключен к электронному блоку 6. С его применением в данном отрезке длинной линии - высокочастотном резонаторе - возбуждают электромагнитные колебания (обычно в мегагерцевом диапазоне частот электромагнитных волн). В этом же блоке производятся определение резонансной частоты электромагнитных колебаний отрезка линии, служащей информативным параметром, и регистрация соответствующего значения измеряемого физического свойства жидкости (концентрации смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.). Физические свойства контролируемой жидкости 1 в свою очередь функционально зависят от ее электрофизических параметров, в частности от диэлектрической проницаемости. Резонансная частота электромагнитных колебаний такого отрезка длинной линии изменяется при погружении в контролируемую жидкость 1, при котором она заполняет пространство между внутренним проводником 2 и металлическим цилиндром 3. Значения резонансной частоты зависят также от геометрических размеров чувствительного элемента.

В качестве электронного блока 6 может быть применен автогенератор, в частотозадающую цепь которого подключен рассматриваемый отрезок длинной линии. Частота автогенератора, зависящая функционально от резонансной частоты отрезка длинной линии, служит информативным параметром. При изменении электрофизических свойств контролируемой жидкости происходит изменение резонансной частоты отрезка длинной линии и, соответственно, изменение частоты автогенератора. Измеряя ее, можно найти текущее значение определяемого физического свойства контролируемой жидкости.

Выбор указанной конструкции чувствительного элемента обусловлен тем, что в качестве U-образного внутреннего проводника можно применять стандартные провода с электрической изоляцией, не прибегая к специальным мерам по герметизации концевых участков этих проводов. Следует также отметить, что для оптимизации метрологических характеристик чувствительного элемента, имеющего на проводниках диэлектрическое покрытие, часто возникает необходимость подбирать толщину такого покрытия в зависимости от электрофизических параметров контролируемой жидкости. Однако ограниченный ассортимент проводов и изоляционных трубок, выпускаемых промышленностью, а также необходимость производить механические манипуляции с чувствительным элементом (изменение диаметров отверстий в диэлектрической изолирующей пластине, через которые проходят проводники, замена проводов изоляционных оболочек) делает процедуру подбора указанной толщины покрытия достаточно трудоемкой.

Поэтому преимуществом чувствительного элемента с U-образной конструкцией внутреннего проводника является также то, что вышеуказанная оптимизация может быть осуществлена электрически, т.е. с помощью подключения некоторого нагрузочного реактивного сопротивления Z (сосредоточенной емкости, индуктивности) между одним из концов U-образного проводника 2 и металлическим цилиндром 3 (фиг.2,а). При наличии такого реактивного сопротивления имеется возможность регулировать распределение запасаемой в рассматриваемом резонаторе электромагнитной энергии в разных его частях (элементах). В частности, реактивное сопротивление Z может быть нулевым (Z=0) при соединении накоротко внутреннего проводника с металлическим цилиндром (фиг.2,б) или равным бесконечности (Z=∝) при размыкании другого конца внутреннего проводника и металлического цилиндра (фиг.2,в). Так, при контроле жидкостей, являющихся достаточно хорошими диэлектриками, предпочтительнее использовать чувствительный элемент с Z=0, а при контроле жидкостей со значительными диэлектрическими потерями - чувствительный элемент с Z=∝. Обусловлено это тем, что в первом случае (Z=0) в измерительном объеме, содержащем только контролируемую жидкость, сконцентрирована в основном энергия электрического поля. Поэтому такой чувствительный элемент при контроле хороших диэлектриков имеет высокую чувствительность; добротность такого резонатора достаточно высокая (хорошие диэлектрики имеют в большинстве случаев малую диэлектрическую проницаемость и поэтому основное требование к чувствительному элементу - это обеспечение достаточно высокой чувствительности). Во втором случае (Z=∝) энергия электрического поля сосредоточена преимущественно вне измерительного объема. Это позволяет сохранять высокую добротность соответствующего резонатора и при контроле жидкостей, являющихся несовершенными диэлектриками.

Тем самым при контроле жидкостей со значительными диэлектрическими потерями можно увеличивать в реактивном нагрузочном элементе резонатора относительную долю запасаемой в нем электромагнитной энергии и, следовательно, повышать добротность резонатора. Высокое значение (не менее 10) добротности необходимо иметь для обеспечения величины (амплитуды) регистрируемого сигнала (резонансного импульса), достаточной для измерения и преобразования информативного сигнала (резонансной частоты).

При экспериментальных исследованиях сопротивление нагрузки отрезка длинной линии можно изменять достаточно легко при минимальных затратах труда и времени. Иногда также может представлять практический интерес возбуждение электромагнитных колебаний в чувствительном элементе с U-образным внутренним проводником 2 как в отрезке экранированной симметричной двухпроводной длинной линии короткозамкнутом на конце, противоположном точкам возбуждения колебаний (фиг.2,г); отрезок длинной линии является в этом случае четвертьволновым резонатором. При этом металлический цилиндр 3, служащий экраном, подключен к металлическому корпусу электронного блока 6 и не соединен электрически с рассматриваемым отрезком двухпроводной длинной линии. Такой вариант подключения может быть применен при работе устройства в условиях сильных внешних электромагнитных полей (работающие сварочные аппараты, установки ВЧ-нагрева и т.п.). Такие помехи воздействуют синфазно на оба проводника отрезка симметричной двухпроводной линии; поэтому они компенсируются в электронном блоке и не оказывают влияние на его работу. Возможно также соединение обоих концов внутреннего U-образного проводника друг с другом и с электронным блоком (фиг.2,д). В этом случае отрезок длинной линии является полуволновым резонатором при возбуждении колебаний в нем через электрическую емкость малой величины (˜1-10 пФ) или четвертьволновым резонатором при подключении катушки индуктивности (˜1-10 мкГн) к точке возбуждения колебаний. Преимуществом данной конструкции является более высокая добротность резонатора в случае значительных габаритов чувствительного элемента (при контроле усредненных значений физических свойств жидкостей в емкостях больших размеров - цистернах и т.п.). Это объясняется уменьшением в два раза электрической длины внутреннего проводника и, соответственно, уменьшением омических потерь в нем и, следовательно, увеличением добротности рассматриваемого резонатора.

В конструкции чувствительного элемента - отрезка длинной линии - обеспечивается возможность заполнения контролируемой жидкостью всего пространства между проводниками отрезка длинной линии за счет выполнения малых отверстий в металлическом цилиндре. Наличие таких отверстий практически не сказывается на электрических характеристиках резонатора.

Для устранения влияния внешних условий (изменений температуры и др.) на результаты измерений и, следовательно, повышения точности измерений рекомендуется проводить измерения с применением двухканальной схемы измерений. На фиг.3 приведена дифференциальная структурная схема рассматриваемого высокочувствительного устройства, построенная по двухканальному принципу. Она содержит два идентичных измерительных канала - рабочий и опорный. Каждый из этих каналов содержит отрезок длинной линии с внутренним U-образным проводником 2 и металлическим цилиндром 3, автогенератор 8, делитель частоты 9. С выхода делителя частоты каждого из каналов сигналы поступают на вычитающее устройство 10. К его выходу подключен индикатор 11, показывающий текущее значение измеряемого параметра. Отрезок длинной линии включен в частотозадающую цепь автогенератора 8 и определяет его частоту генерации. Обычно генерируемые частоты лежат в диапазоне 1-100 МГц и зависят в основном от геометрических параметров чувствительного элемента, от физических свойств контролируемой жидкости. С выхода автогенератора высокочастотные колебания поступают на делитель частоты 9, в котором производится уменьшение (деление) частоты автогенератора до приемлемых значений (10-100 кГц). Вычитающее устройство 10 может быть реализовано на базе как цифровых, так и аналоговых схем; соответственно, выходной сигнал вычитающего устройства, являющегося выходным сигналом измерительного устройства, может также быть цифровым или аналоговым.

Отрезок длинной линии в опорном канале помещается в эталонную жидкость, например в воду, используемую при приготовлении коптильных препаратов. Отрезок длинной линии в рабочем (измерительном) канале помещается в контролируемую жидкость. Так как оба канала - измерительный и опорный - находятся в одинаковых внешних условиях, то все возможные возмущающие воздействия приводят к одинаковым изменениям частот автогенераторов. Поэтому влияние этих воздействий на результаты измерений практически отсутствует.

Эксперименты с различными жидкостями подтверждают эффективность рассматриваемого устройства для измерения различных физических свойств жидкостей. Например, в экспериментах применялась конструкция отрезка длинной линии длиной 100 мм, внутренним диаметром металлического цилиндра из нержавеющей стали 20 мм с U-образным внутренним проводником, покрытым диэлектрической (полихлорвиниловой) оболочкой. Этот внутренний проводник одним концом подсоединен к электронному блоку, а другой его конец разомкнут (в этом случае Z=∝.) Диаметр U-образного медного проводника вместе с оболочкой равен 2 мм, а без оболочки - 1,2 мм. Части U-образного проводника расположены симметрично относительно продольной оси металлического цилиндра; расстояние между этими частями внутреннего проводника равно 7 мм. При этом в отсутствие контролируемой жидкости резонансная частота электромагнитных колебаний составила 13 МГц. При погружении такого отрезка длинной линии в воду резонансная частота уменьшилась до значения 9 МГц. При контроле концентрации коптильных препаратов, используемых в пищевой промышленности, в диапазоне значений их концентрации 0-1% соответствующее изменение (уменьшение) резонансной частоты относительно ее значения при полном заполнении резонатора водой составило 3% (270 кГц). Такие эксперименты подтверждают возможность, во-первых, высокоточного измерения физических свойств жидкостей, имеющих большие диэлектрические потери, во-вторых, возможность измерения малых значений концентрации смеси жидкостей, каждая из которых имеет большие диэлектрические потери.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает возможность измерения физических свойств жидкостей с произвольными электрофизическими параметрами.

1. Устройство для измерения физических свойств жидкости, содержащее располагаемый чувствительный элемент, представляющий собой отрезок длинной линии в виде совокупности металлического цилиндра и расположенного внутри него и параллельно ему внутреннего проводника, диэлектрическую пластину, электронный блок, к которому подключены внутренний проводник и металлический цилиндр, отличающееся тем, что внутренний проводник выполнен U-образной формы и имеет два конца, один из которых подключен к электронному блоку, дополнительно снабжено реактивным сопротивлением, которое подключено к металлическому цилиндру и к другому концу внутреннего проводника и расположено между ними.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что внутренний проводник U-образной формы покрыт диэлектрической оболочкой.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диэлектрическая пластина размещена в верхней части отрезка длинной линии между металлическим цилиндром и внутренним проводником и перпендикулярно им.