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.
