Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей



Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей
Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей

 


Владельцы патента RU 2614047:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт радиотехники и электрики им. В.А. Котельникова Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для измерения и контроля жидкостей, в частности водных растворов и суспензий веществ химической и биологической природы, в различных технологических процессах, исследованиях структуры водных растворов, определения влагосодержания углеводородов, в том числе и «на потоке», а также в биофизических исследованиях. Конструкция резонансной измерительной камеры обеспечивает надежную и устойчивую механическую перестройку и подбор оптимальной связи резонатора с волноводным трактом. Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей включает волноводную камеру, в широких стенках которой выполнены полости, в которых размещены поршни с отверстиями для пропуска диэлектрической трубки с исследуемым веществом и устройствами для перемещения поршней, при этом устройства для перемещения каждого из поршней выполнены в виде дифференциальных регулировочных винтов, на поверхности поршней выполнены дроссельные канавки, в которых размещены фторопластовые шайбы, а для фиксации положений поршней в полостях волноводной камеры размещены спиральные пружины. На стойках крепежной арматуры волноводной камеры может быть нанесена шкала перемещения дроссельных поршней внутри резонатора для удобства вращения рукой, а также для возможной стыковки с редуктором шагового двигателя при автоматизации процесса измерений, дифференциальные регулировочные винты снабжены зубчатыми колесами. Уменьшение искажения формы резонансной кривой отраженного СВЧ-сигнала за счет улучшения контакта контролируемой жидкости, помещенной в диэлектрический капилляр с волноводным измерительным устройством, а также повышение стабильности результатов измерения диэлектрических параметров контролируемой жидкости, является техническим результатом изобретения. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области микроволновой диэлектрометрии и может быть использовано для определения концентраций веществ в водных растворах, в целях контроля влаги в углеводородных смесях, загрязнения водных сред, концентрации биологических клеток в суспензиях.

Известны конструкции устройств для измерения поглощения жидкостью в диэлектрическом капилляре электромагнитного излучения микроволнового диапазона. В устройстве, предложенном в работе [Виноградов Е.А., Ирисова Н.А., Прохоров A.M. и др. А.с. SU 1432394. 23 октября 1988 г. Бюл. №39] измерительная кювета с рабочим веществом выполнена в виде капилляра с электродами, вмонтированными в его торцы и соединенными с синхронным детектором. При этом капилляр устанавливается при настройке параллельно вектору плоскости поляризации электрического поля микроволнового излучения. Уровень поглощения микроволнового излучения жидкостью в капиллярной трубке определяется в данном случае по изменению электропроводности жидкости.

Недостатком данного метода является необходимость использования открытого резонатора, который не позволяет сконцентрировать микроволновое излучение в такой же степени, как закрытый металлический волновод. Следовательно, имеют место потери энергии излучения, приводящие к снижению чувствительности измерений поглощения.

Следующей конструкцией измерительного устройства, более близкого к предлагаемому, является капиллярная кювета, представляющая собой тонкостенную тефлоновую трубку в волноводе, которая использовалась для исследования водных растворов [Беляков Е.В., Храпко А.А. с. 1307315 СССР, кл. G01N 22/00. Опубл. Бюл. №16, 1987]. Недостатком данной конструкции по сравнению с предложенной, является отсутствие возможности подстройки резонансной системы, что препятствовало использованию данного устройства для измерения диэлектрических характеристик широкого ряда сильнопоглощающих жидкостей.

Прототипом предлагаемого устройства является конструкция резонатора, отличающаяся возможностью перестройки геометрических размеров широкой стенки волновода в виде поршней с отверстиями для диэлектрической капиллярной трубки, в которую помещена измеряемая жидкость [Беляков Е.В. Измерительный СВЧ-резонатор для диэлектриков с большими потерями. А.с. СССР №1307315, кл. G01N 22/00, 1984]. Измерение диэлектрических характеристик жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В радиопрозрачный капилляр, пронизывающий широкую стенку металлического прямоугольного волновода, наливается исследуемая жидкость. Затем с помощью подвижных поршней добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в бинарной или же многокомпонентной исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. Более высокая чувствительность измерений наблюдается при измерениях уровня сигнала на склоне резонансно кривой. В этом случае оценивается смещение пика резонансной кривой по шкале частот, что повышает чувствительность измеряемого параметра жидкости, связанного также с изменением величины диэлектрической проницаемости.

Перемещение поршней перпендикулярно плоскости широкой стенки волновода осуществляется с помощью регулировочных винтов. Несмотря на высокие технические характеристики устройства, его работа отличается крайней нестабильностью, связанной с механической неустойчивостью элементов конструкции, что приводило к нестабильности результатов измерения амплитуды резонансной кривой отраженного СВЧ сигнала. Кроме того, в данном устройстве отсутствуют элементы связи с приводом для автоматизации процесса измерения.

Из-за низкого передаточного отношения системы гайка - винтовая резьба на поршне не удавалось достаточно точно и плавно устанавливать положение поршней в резонаторе. Это приводило к грубой настройке резонанса отраженного СВЧ сигнала. Кроме того, наблюдалось смещение поршня после его установки и при фиксации крепежным болтом, что приводило к нестабильности измерения амплитуды резонанса.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в уменьшении искажения формы резонансной кривой отраженного СВЧ сигнала за счет улучшения контакта контролируемой жидкости, помещенной в диэлектрический капилляр с волноводным измерительным устройством.

Технический результат достигается тем, что в перестраиваемой волноводной диэлектрической камере для контроля жидкостей, включающей волноводную камеру, в широких стенках которой выполнены полости, в которых размещены поршни с отверстиями для пропуска диэлектрической трубки с исследуемым веществом и устройствами для перемещения поршней, устройства для перемещения каждого из поршней выполнены в виде дифференциальных регулировочных винтов, на поверхности поршней выполнены дроссельные канавки, в которых размещены фторопластовые шайбы, а для фиксации положений поршней в полостях волноводной камеры размещены спиральные пружины.

Для удобства вращения рукой, а также для возможной стыковки с редуктором шагового двигателя при автоматизации процесса измерений дифференциальные регулировочные винты снабжены зубчатыми колесами. Для калибровки положения дроссельных поршней в резонаторе на стойках крепежной арматуры волноводной камеры может быть нанесена шкала перемещения дроссельных поршней внутри резонатора

На Фиг. 1 представлена конструкция перестраиваемой волноводной диэлектрической камеры, где 1 - волноводная камера; 2, 3 - дроссельные поршни; 4, 5 - пружины для фиксации положения поршней; 6, 7 - дифференциальные винты для плавного регулирования положения поршней в резонаторном волноводе; 8, 9, 10, 11 - стойки с нанесенными на них шкалами отсчета перемещения поршней внутри резонатора, 12, 13 - зубчатые колеса, 14, 15 - дроссельные канавки, 16, 17 - фторопластовые шайбы.

В результате проведенных конструктивных изменений, механический привод был выполнен в виде дифференциальных винтов (6, 7) с минимально возможным шагом резьбы для выбранной геометрии и используемых материалов. Дифференциальные винты снабжены зубчатыми колесами (12, 13) достаточно большого диаметра для удобства вращения рукой, а также для возможной стыковки с редуктором шагового двигателя при автоматизации процесса измерений. Фиксирующие болты были исключены из данной конструкции, ввиду указанных выше осложнений при их использовании, а также невозможности такого технического решения при автоматической корректировке положения поршня. Новое решение заключается в ведении упругих элементов - спиральных пружин (4, 5) для фиксации положения поршней (2, 3) в резонаторе. На поверхности стоек (8-11) крепежной арматуры резонаторной камеры (1) может быть нанесена шкала перемещений поршней внутри резонатора, что позволяет лучше ориентироваться на начальном этапе настройки при измерении контролируемого вещества, а в дальнейшем даст возможность устанавливать заранее положение поршней для известных продуктов контроля. Изменена также конструкция дроссельных поршней (2, 3), которые имели ненадежный контакт с поверхностью резонатора, что приводило к нестабильности его геометрических размеров, а следовательно и результатов измерений. Наиболее отчетливо эти недостатки проявлялись при механических воздействиях, например при деформациях капилляра, принизывающего поршни. В поршнях были сделаны канавки, выполняющие функции дросселей, в которые вставляются фторопластовые шайбы, предотвращающие механический контакт поршня с поверхностью резонатора. Таким образом, получены дроссельные поршни, минимизирующие волновое сопротивление в плоскости эффективного короткого замыкания и обеспечивающие стабильность результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости.

Измерение диэлектрических характеристик жидкостей с помощью данного устройства выполняется следующим образом. В диэлектрический капилляр, пронизывающий широкую стенку металлического прямоугольного волновода (1), наливается исследуемая жидкость. Затем с помощью подвижных поршней (2, 3), раздвигающих широкие стенки волновода, добиваются максимального значения добротности резонаторной измерительной системы, что регистрируется по величине амплитуды резонансной кривой на экране. Разность амплитуд резонансной кривой при последовательных измерениях показывает изменение концентрации вещества в бинарной или же многокомпонентной исследуемой жидкости, связанной с изменением величины диэлектрической проницаемости. Более высокая чувствительность измерений наблюдается при измерениях уровня сигнала на склоне резонансно кривой. В этом случае оценивается смещение пика резонансной кривой по шкале частот, что повышает чувствительность измеряемого параметра жидкости, связанного также с изменением величины диэлектрической проницаемости.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет минимизировать волновое сопротивление в плоскости эффективного короткого замыкания, и обеспечивает стабильность результатов измерений диэлектрических параметров контролируемой жидкости.

1. Перестраиваемая волноводно-диэлектрическая камера для контроля жидкостей, включающая волноводную камеру, в широких стенках которой выполнены полости, в которых размещены поршни с отверстиями для пропуска диэлектрической трубки с исследуемым веществом и устройствами для перемещения поршней, отличающаяся тем, что устройства для перемещения каждого из поршней выполнены в виде дифференциальных регулировочных винтов, на поверхности поршней выполнены дроссельные канавки, в которых размещены фторопластовые шайбы, а для фиксации положений поршней в полостях волноводной камеры размещены спиральные пружины.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на стойках крепежной арматуры волноводной камеры нанесена шкала перемещения дроссельных поршней внутри резонатора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дифференциальные регулировочные винты снабжены зубчатыми колесами.



 

Похожие патенты:

Предлагаемое техническое решение относится к измерительной технике. Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение точности измерения малого влагосодержания.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения диэлектрической проницаемости и влажности материалов при помощи устройства влагомер-диэлькометр, которое содержит электронный блок, измерительную ячейку и первичный преобразователь, представляющий собой отрезок длинной линии, образованный металлическим прутком и металлическим основанием, при этом измерительная ячейка конструктивно совмещена с первичным преобразователем и содержит детектор, подключенный непосредственно к входу первичного преобразователя.

Изобретение относится к СВЧ-способу определения содержания физической глины и гумуса в почвах, Способ включает измерение показателя преломления почвы с влажностью, превышающей максимальное содержание связанной воды, образцы которой выдерживают в герметическом контейнере в течение 1-2 суток при комнатной температуре, измеряют показатель преломления на частотах f1=0,35 ГГц и f2=1,75 ГГц, находят разность показателей преломления Δn=n(f1)-n(f2), на частотах f1 и f2 одновременно измеряют и показатель поглощения, находят разность показателей поглощения Δκ=κ(f1)-κ(f2) и определяют массовую долю физической глины С в почве из соотношения: и массовую долю гумуса в почве из соотношения: где С - содержание физической глины в почве (в массовых долях); Δn - разность показателей преломления; Δκ - разность показателей поглощения; Н - содержание гумуса в почве (в массовых долях).

Изобретение относится к области подповерхностной радиолокации и контроля насыпи железных дорог и автодорог. Влажность, загрязненность и толщину слоев насыпи определяют с помощью георадара.

Изобретение относится к области измерительной электротехники, а именно к влагомеру для контроля влажности жидких и сыпучих материалов путем измерения их диэлектрической проницаемости.

Влагомер // 2572087
Влагомер относится к измерительной технике и может быть использован для контроля влажности материалов путем измерения комплексной диэлектрической проницаемости.

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, и в частности, для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Изобретение относится к способам определения влажности. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности, в частности для экспресс-контроля качества авиационных керосинов в условиях аэродрома.

Заявленное изобретение относится к способу определения влажности жидких углеводородов и может найти применение в нефтехимической промышленности, лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов, в частности для экспресс-контроля качества авиационного керосина.

Изобретение относится к устройству измерения физических свойств жидкости в емкости. Повышение точности измерения является техническим результатом заявленного устройства, которое представляет собой первый рабочий чувствительный элемент в виде первого резонатора - отрезка коаксиальной линии, заполняемого контролируемой жидкостью, между полым внутренним и наружным проводниками которого размещена совокупность одного или более соосных с ними и вложенных один в другой металлических цилиндров, поочередно короткозамкнутых и разомкнутых на одном из их концов, и эталонный чувствительный элемент в виде второго резонатора, заполняемого эталонной жидкостью, являющегося полостью внутреннего проводника первого резонатора, при этом оба резонатора подключены через соответствующие элементы возбуждения и съема колебаний и линии связи этих резонаторов с соответствующими электронными блоками, выходы которых подсоединены к входу функционального преобразователя, подсоединенного выходом к индикатору.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для высокоточного измерения влагосодержания различных диэлектрических жидких веществ, в частности нефти и нефтепродуктов, находящихся в емкостях или перекачиваемых по трубопроводам. Способ измерения влагосодержания жидкости включает воздействие на контролируемую диэлектрическую жидкость электромагнитными волнами на измерительном участке на двух разных частотах и которым соответствуют разные значения диэлектрической проницаемости воды, и определяют по результату этих воздействий соответствующие значения диэлектрической проницаемости ∈1 и ∈2 жидкости, при этом влагосодержание определяют как результат совместного преобразования измеряемых значений ∈1 и ∈2, по фазовому сдвигу Δϕ1 и Δϕ2, по формуле где , где и - диэлектрическая проницаемость воды на частотах и соответственно, - номинальное значение диэлектрической проницаемости обезвоженной диэлектрической жидкости. Повышение точности измерения влагосодержания является техническим результатом изобретения. 1 ил.
Наверх