Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке

Использование: для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ. Сущность изобретения заключатся в том, что устройство для измерения физических свойств вещества в потоке содержит на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, при этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Технический результат: обеспечение возможности повышения точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля потоков неоднородных диэлектрических веществ, у которых компоненты могут занимать произвольное положение при движении в трубопроводах, для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации смеси веществ, влагосодержания и др.) неоднородных диэлектрических веществ (жидкостей, газов), перемещаемых по трубопроводам. Высокоточная информация о физических свойствах (плотности сыпучего вещества, сплошности газо-жидкостного потока) неоднородного диэлектрического вещества в потоке важна не только для контроля и регулирования технологических процессов, но и для определения массового расхода вещества, связанного с этими свойствами.

Известны различные устройства для определения физических свойств диэлектрических веществ в потоке, в частности перемещаемого по трубопроводу, основанные на измерении их электрофизических параметров с применением радиочастотных датчиков в виде полых волноводов, антенн, отрезков длинных линий и др. (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989. С. 168-177). При неоднородном или переменном характере распределения вещества имеет место существенная погрешность измерения, поскольку электромагнитное поле в таких датчиках неоднородно на их измерительных участках, что приводит к погрешности измерения при изменения распределения такого вещества.

Известно также техническое решение (US 4104585 A, 01.08.1978), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит волноводный объемный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом. К резонатору подсоединены с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок. Недостатком данного устройства является его невысокая точность при проведении измерений в реальных условиях, когда контролируемое диэлектрическое вещество изменяет характер своего распределения при его движении. При этом это вещество (его размеры, форма и расположение) смещается относительно картины неоднородного распределения электрического поля стоячей волны в резонаторе и, как следствие, изменяется значение информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, приводя к снижению точности измерения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения.

Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для измерения физических свойств вещества в потоке, содержащее на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок. При этом волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены электромагнитные колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Волноводный прямоугольный резонатор может быть скручен вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на 90°.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами на фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3.

На фиг. 1 изображено поперечное сечение прямоугольного волновода с двумя диэлектрическими вставками и диэлектрической трубой, распределение в нем электрического поля.

На фиг. 2 изображен прямоугольный волноводный резонатор, скрученный вдоль продольной оси на 90°.

На фиг. 3 приведена функциональная схема устройства.

На фигурах показаны прямоугольный волновод 1, диэлектрические вставки 2 и 3, диэлектрическая труба 4, скрученный прямоугольный волноводный резонатор 5, участки трубопровода 6 и 7, прямоугольный волноводный резонатор 8, запредельные волноводы 9 и 10, элементы связи 11 и 12, генератор электромагнитных колебаний 13, электронный блок 14.

Устройство работает следующим образом.

Применение датчика на основе проточного волноводного резонатора с пропущенной вдоль его продольной оси диэлектрической трубой позволяет, при обеспечении равномерного характера распределения электрического поля в объеме резонатора, достигаемого в предлагаемом устройстве, обеспечивает измерение параметров физических свойств неоднородного диэлектрического вещества независимо от конфигурации потока, распределения в нем имеющихся неоднородностей.

Для этой цели необходимо иметь однородное распределение энергии электромагнитного поля в поперечном сечении волноводного резонатора. Такое приблизительно однородное распределение обеспечивается в волноводном резонаторе на основе прямоугольного волновода 1 (фиг. 1). На фиг. 1 показано распределение амплитуды напряженности электрического поля E в поперечном сечении прямоугольного волновода и волноводного резонатора на его основе. У противоположных широких сторон поперечного сечения прямоугольного волновода 1 вдоль его длины размещены диэлектрические вставки 2 и 3 с толщиной d и диэлектрической проницаемостью ε. В центральной свободной части поперечного сечения волновода с исходным типом волн H10 существует поле поперечные волны типа TEM (VanKoughnett A.L., Wyslouzil W.A waveguide TEM mode exposure chamber // Journal of Microwave Power. 1972, vol. 7, N 4, pp. 381-283). Эти волны являются поперечными (TEM), если выполнено следующее условие:

где λ - длина волны в свободном пространстве на используемой рабочей частоте.

Волноводный прямоугольный резонатор, выполненный на основе такого прямоугольного волновода 1, вдоль продольной оси которого пропущена диэлектрическая труба 4 с контролируемым веществом, может служить в качестве датчика для измерений физических свойств движущихся диэлектрических веществ, как однородных, так и содержащих различные неоднородности. При этом данные неоднородности могут изменять свое распределение в объеме резонатора в процессе измерения.

В этом случае имеет место почти равномерное распределение электромагнитной энергии в свободном пространстве волновода, а также в рассматриваемом резонаторе на его основе, содержащем диэлектрическую трубу с контролируемым диэлектрическим веществом вдоль продольной оси волновода. В качестве диэлектрических вставок могут применяться различные материалы: плексиглас (ε=2.59), корунд (ε=10.07) и др. Так, требуемый режим работы с электромагнитном полем TEM-типа в центральной части волновода обеспечивается на частоте 2450 МГц (λ=12,45 см) при следующих параметрах: размеры поперечного сечения 7×3,5 см2; ε=7; d=1,3 см. Можно считать, что такое же равномерное распределение поля в этой области имеет место и при малых изменениях частоты генератора или при введении диэлектрической трубы с контролируемым диэлектрическим веществом в рассматриваемое свободное пространство, незначительно изменяя электрическое поле стоячей волны в резонаторе.

В данном резонаторе возбуждают колебания типа H10n, n=1, 2, …, низшим из которых является H101 и которому соответствует наименьшее значение резонансной частоты ƒp электромагнитных колебаний данного резонатора. При этом первые два индекса (1 и 0) соответствуют числу полуволн поля стоячей электромагнитной волны в волноводном резонаторе в его поперечном сечении (фиг. 1), а третий индекс n=1, 2, … - числу полуволн поля стоячей волны вдоль продольной оси данного прямоугольного резонатора (т.е. вдоль диэлектрической трубы с контролируемым диэлектрическим веществом). Однородное распределение энергии электромагнитного поля в таком волноводе и резонаторе на его основе приводит к независимости результатов измерений от конфигурации потока, распределения в нем имеющихся неоднородностей.

В прямоугольном резонаторе, в отличие от прямоугольного волновода, имеет место картина стоячей волны с наличием максимумов и минимумов электрического и магнитного полей по объему резонатора. При этом вдоль длины L резонатора в продольной плоскости умещается полуволн, т.е. , n=1, 2, …. С учетом этого соотношение (1) для рассматриваемого резонатора записывается так:

откуда находим

Для основного типа колебаний H101 при n=1 формула (3) принимает вид

Таким образом, в данном прямоугольном волноводном резонаторе конфигурация потока неоднородного диэлектрического вещества, перемещаемого на измерительном участке трубопровода по диэлектрической трубе внутри рассматриваемого резонатора, а также распределение по объему этой трубы присущих веществу в потоке неоднородностей не оказывают влияния на значение информативного параметра - резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора. Эта частота зависит от измеряемого физического свойства вещества - плотности, концентрации смеси веществ, влагосодержания неоднородных диэлектрических веществ (жидкостей, газов) и т.п.

В показанном на фиг. 1 поперечном сечении волноводного прямоугольного резонатора с диэлектрической трубой 4, располагаемой вдоль продольной оси этого резонатора, в обеих частях полости резонатора, как в указанном выше прямоугольном волноводе 1, имеются диэлектрические вставки 2 и 3 с тем же поперечным размером, что и у резонатора, а продольный размер каждой вставки имеет величину , n=1, 2, …, где в данном случае L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки. Волноводный резонатор может быть снабжен запредельным волноводом с каждого его торца. Роль такого волновода может играть участок самого металлического трубопровода, по которому перемещается поток вещества. Внутренние диаметры этих запредельных волноводов соответствует диаметру диэлектрической трубы внутри резонатора для предотвращения движения потока контролируемого вещества. Наличие запредельного волновода препятствует излучению электромагнитных волн за пределы полости резонатора и, тем самым, обеспечивает высокое значение добротности резонатора. Измеряя текущее значение ƒp резонансной частоты электромагнитных колебаний резонатора, можно определить диэлектрическую проницаемость εм контролируемого вещества и связанные с ней функционально значения измеряемого физического свойства вещества.

Возможно дополнительное повышение точности измерения путем скручивания данного прямоугольного волноводного резонатора вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на угол φ=90°. На фиг. 2 приведен такой скрученный прямоугольный волноводный резонатор 5. Вдоль его продольной оси расположена диэлектрическая труба 4, по которой перемещается контролируемое вещество. У каждого из торцов данного резонатора к концам этой диэлектрической трубы 4 подсоединен соответствующий участок трубопровода 6 и 7, имеющий тот же внутренний диаметр, что и у диэлектрической трубы 4. При выполнении этих участков 6 и 7 (как и самого трубопровода) из металла, они выполняют роль запредельных волноводов.

В этом случае картина силовых линий однородного электрического поля стоячей волны скрученного прямоугольного волноводного резонатора 5 идентична во всех сечениях измерительного участка, но отличается по ориентации по угловой координате. Если угол φ=90°, то на противоположных торцах резонатора силовые линии электрического поля взаимно-перпендикулярны. Если φ=180°, то направление силовых линий электрического поля на торцах резонатора противоположно. В датчике на основе такого резонатора производится пространственное усреднение результатов измерения физических свойств неоднородного веществе в потоке, причем степень усреднения и, следовательно, точность измерения, можно регулировать величиной угла φ.

На фиг. 3 показана схема устройства с датчиком на основе волноводного прямоугольного резонатора 8 с диэлектрической трубой 4 внутри этого резонатора вдоль его продольной оси, содержащей движущееся диэлектрическое вещество. Диэлектрические вставки 2 и 3 расположены в соответствующих частях полости резонатора. Наличие запредельных волноводов 9 и 10 с обоих торцов волноводного резонатора, диаметр которых соответствует диаметру диэлектрической трубы 4 внутри резонатора, препятствует излучению электромагнитных волн за пределы полости резонатора. Элементы связи 11 и 12, расположенные в центре широких стенок волноводного резонатора, служат для возбуждения электромагнитных колебаний в полости резонатора с помощью генератора электромагнитных колебаний 13 и его подсоединения к электронному блоку 14 для измерения резонансной частоты ƒp данного резонатор, по значению которой судят об измеряемом физическом свойстве вещества в потоке.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает более высокую точность измерений физических свойств диэлектрического вещества в потоке при возможности изменения его конфигурации в процессе движения. Данное устройство обеспечивает независимость результатов измерений от распределения возможных неоднородностей вещества в его потоке на измерительном участке устройства.

1. Устройство для измерения физических свойств вещества в потоке, содержащее на измерительном участке волноводный резонатор, через сквозные отверстия в противоположных торцах которого вдоль его продольной оси пропущен диэлектрический трубопровод с контролируемым диэлектрическим веществом, подсоединенные к данному резонатору с помощью элементов связи генератор электромагнитных колебаний и электронный блок, отличающееся тем, что волноводный резонатор выполнен в виде прямоугольного волноводного резонатора, в котором возбуждены электромагнитные колебания типа H10n, n=1, 2, …, и в котором у каждой из его узких стенок установлена диэлектрическая вставка с тем же поперечным размером, что и у прямоугольного резонатора, ее продольный размер имеет величину , где L - длина резонатора в продольной плоскости, ε - диэлектрическая проницаемость материала каждой вставки.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что волноводный прямоугольный резонатор скручен вдоль его продольной оси, по меньшей мере, на 90°.



 

Похожие патенты:

Использование: для измерения параметров диэлектриков при нагреве. Сущность изобретения заключается том, что способ измерения параметров диэлектриков при нагреве в объемном резонаторе на фиксированной частоте включает возбуждение колебаний в резонаторе через расположенные в верхней торцевой стенке отверстия связи в охлаждаемой части резонатора, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение собственных параметров пустого резонатора, установку образца на подвижный нижний поршень, настройку резонатора в резонанс при нормальных условиях и при нагреве и измерение параметров резонатора с образцом, расчет температурных параметров диэлектриков сравнением собственных температурных параметров пустого резонатора и резонатора с образцом, отличающийся тем, что настройку в резонанс пустого резонатора и резонатора с образцом проводят перемещением верхней торцевой стенки резонатора с отверстиями связи при неизменном положении подвижного нижнего поршня.

Изобретение относится к области дистанционного измерения физических характеристик объектов, в частности диэлектрической проницаемости диэлектриков. В способе, включающем облучение диэлектрического объекта когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала, несущего информацию о диэлектрической проницаемости объекта, после прохождения сигналом объекта с помощью канала регистрации, содержащего средства регистрации, и когерентную обработку зарегистрированного сигнала, согласно изобретению облучение объекта осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, при этом регистрацию сигнала каждого передающего элемента осуществляют соответствующим ему средством регистрации, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре передающий элемент - средство регистрации на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути методом обратного проецирования, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути методом сегментации трехмерного изображения, затем вычисляют диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат по формуле: , где ρ - средняя плотность удлинения оптического пути для диэлектрического объекта; Lx - размер по оси x; Lz - размер по оси z.

Использование: для определения природы проводимости диэлектриков. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения природы проводимости диэлектриков основан на проверке выполнимости закона Фарадея путем пропускания электрического тока через стопку образцов испытуемого диэлектрика и определения качества и количества перемещенного вещества, при этом стопку образцов испытуемого диэлектрика подвергают воздействию электромагнитного излучения, направляя вектор плотности потока энергии поля вдоль оси стопки образцов испытуемого диэлектрика.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения электромагнитных параметров наземных и погружных асинхронных электродвигателей на предприятиях по ремонту электрооборудования и на площадках нефтедобывающих скважин.

Использование: для дистанционного контроля относительной диэлектрической проницаемости среды под границей атмосфера-океан на разных акваториях Мирового океана. Сущность изобретения заключается в том, что контролируемый участок морской поверхности облучают СВЧ-радиоволнами на наклонной поляризации, регистрируют рассеянный назад сигнал одновременно на вертикальной и горизонтальной поляризациях, затем вычисляют поляризационное отношение, по которому рассчитывают относительную диэлектрическую проницаемость среды под границей атмосфера-океан.

Изобретение относится к бесконтактным переключателям. Технический результат заключается в обеспечении управления чувствительностью бесконтактного переключателя.

Изобретение, в общем, относится к системам контроля и, более конкретно, к способу определения электрической проводимости объекта или материала. Система содержит датчик, способный излучать электромагнитное поле при получении возбуждающего сигнала, причем при помещении в указанное электромагнитное поле объекта оно взаимодействует с этим объектом.

Изобретение предназначено для определения технического состояния фильтрующего элемента гидросистемы в функциональном режиме. Способ диагностирования технического состояния фильтрующего элемента гидросистемы включает определение параметра контроля фильтра и его передачу запоминающему устройству или оператору в процессе работы гидросистемы, причем измеряют диэлектрическую проницаемость фильтрующего элемента, непрерывно сравнивают текущее значение диэлектрической проницаемости фильтрующего элемента с ее максимально допустимым значением и определяют прогнозируемый остаточный ресурс фильтрующего элемента по по предложенной формуле.

Изобретение относится к бесконтактным переключателям. Технический результат заключается в улучшении управления чувствительностью бесконтактных переключателей.

Изобретение относится измерительным информационным системам, в частности к системам для измерения емкости и сопротивления и может быть использовано для измерения неэлектрических величин резистивными и емкостными датчиками в беспроводных системах контроля и управления.

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике обнаружения взрывчатых и наркотических веществ, в частности к способам и устройствам обнаружения взрывчатых и наркотических веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей.

Изобретение относится к медицинской технике. Устройство для диагностики заболеваний бронхолегочной системы содержит управляемый генератор высокой частоты (3), аналого-цифровой преобразователь (9), блок управления (4), блок регистрации и отображения результатов измерений (2), блок генерации и измерения (1), основной (6), опорный (7) и приемный (8) каналы.

Изобретение относится к области СВЧ-техники и может быть использовано для определения концентраций веществ в водных растворах, в том числе для контроля влаги в углеводородных смесях, при контроле загрязнения водных сред, при контроле концентрации биологических клеток в суспензиях.

Использование: для дистанционного досмотра багажа. Сущность изобретения заключается в том, что выполняют облучение контролируемой области пространства когерентным СВЧ-излучением на наборе частот, регистрацию сигнала после прохождения сигналом этой области с помощью нескольких каналов регистрации и обработку зарегистрированного сигнала, который несет информацию о диэлектрических объектах в багаже, при этом облучение области СВЧ-излучением осуществляют несколькими передающими элементами, расположенными в различных точках пространства, а при обработке зарегистрированного сигнала определяют множество значений удлинения оптического пути, соответствующих определенной паре излучатель-регистратор на наборе частот, затем вычисляют распределение плотности удлинения оптического пути в конкретной области пространства, выделяют непрерывные трехмерные участки с близкими по значению плотностями удлинения оптического пути, затем для каждого выделенного участка вычисляют среднюю плотность удлинения ρ оптического пути, положение и размеры диэлектрического объекта, находящегося в багаже, в системе координат (x, y, z), диэлектрическую проницаемость ε диэлектрического объекта в сечении одной из плоскостей системы координат, причем диэлектрическую проницаемость вычисляют по заданной математической формуле, задают значения εниж и εверх, которые характерны для опасных диэлектрических объектов, и при εниж<ε<εверх констатируют присутствие опасного диэлектрического объекта в контролируемой области пространства.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств диэлектрических жидкостей, в том числе плотности, концентрации смесей, влагосодержания и т.д., при этом исследуемые жидкости находятся в измерительных ячейках или перекачиваются по трубопроводу.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения физических свойств, например, плотности, концентрации смесей, влагосодержания и др., различных диэлектрических жидкостей, находящихся в электромагнитном поле волновода.

Использование: для обнаружения потенциально опасных и/или взрывчатых веществ, скрытых под одеждой или в багаже. Сущность изобретения заключается в том, что путем излучения, отражения и регистрации микроволн можно получить трехмерное изображение интересующего объекта.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (плотности, концентрации, смеси веществ, влагосодержания и др.) веществ (жидкостей, сыпучих веществ, газов), находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.) и перемещаемых по трубопроводам.

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для определения электрофизических параметров слоя полупроводника на поверхности диэлектрика и может найти применение в различных отраслях промышленности при контроле свойств полупроводниковых слоев.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения диэлектрической проницаемости металла в терагерцовом диапазоне спектра. Способ включает в себя возбуждение зондирующим пучком поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ) на плоской поверхности металлического образца, измерение длины распространения ПЭВ и определение ее фазовой скорости, расчет комплексного показателя преломления ПЭВ по означенным ее характеристикам и определение диэлектрической проницаемости металла путем решения дисперсионного уравнения ПЭВ для волноведущей структуры, содержащей поверхность образца. При проведении измерений на поверхность предварительно наносят однородный слой диэлектрика с известными оптическими постоянными толщиной от сотой до десятой доли длины волны излучения источника. Технический результат заключается в повышении точности измерений.
Наверх