Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях

Авторы патента:

Соловьев Владимир Геннадьевич (RU)

Татаровский Олег Петрович (RU)

Викулин Александр Леонидович (RU)

G01R27/025 - Устройства для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или электрических характеристик, производных от них

G01R27/02 - для измерения активного, реактивного и полного сопротивления или других производных от них характеристик, двухполюсника, например постоянной времени (для измерения только фазового угла G01R 25/00)

Владельцы патента RU 2646526:

Общество с ограниченной ответственностью "ТЕСТ-ГАРАНТ" (ООО "ТЕСТ-ГАРАНТ") (RU)

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для достоверного определения компонентного состава и концентраций примесей в жидких диэлектриках, применяемых в системе нефтепродуктообеспечения, медицине и научных исследованиях. Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях содержит этапы, на которых после заполнения межэлектродного пространства измерительного датчика исследуемой жидкостью на его электроды подают переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют его спектральную характеристику. Для этого определяют электрическую емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты. Шаг изменения частот определяется в зависимости от частотного диапазона. Определяют рабочую частоту, для чего измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком. На основании измеренных частот определяют емкость датчика в исследуемой жидкости. Технический результат – уменьшение времени и повышение точности определения диэлектрических параметров в измеряемой среде, упрощение аппаратурной составляющей. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для достоверного определения компонентного состава и примесей в жидких диэлектриках, применяемых в системе нефтепродуктообеспечения, медицине и научных исследованиях.

Из существующего уровня техники известны различные способы определения диэлектрических параметров в жидких диэлектриках. Например, известен способ, в котором на вход резонатора подают сигнал, модулированный по частоте пилообразным низкочастотным сигналом и низкочастотным гармоническим сигналом с индексом модуляции, соответствующим уменьшению мощности резонансной кривой в 2 раза, и по положению вершины резонансной кривой определяют уровень половинной мощности. Добротность затем вычисляют по определенным значениям частот, соответствующим вершине резонансной кривой и уровням половинной мощности (см., напр., RU 1493958, опубл. 15.07.1989).

Известен также принятый за наиболее близкий аналог способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей в широком диапазоне частот в одной ячейке, при этом в диапазоне частот выше 100 МГц диэлектрическую проницаемость вычисляют через измеренные значения комплексного коэффициента передачи электромагнитной волны (параметра матрицы рассеяния S₁₂), а в диапазоне частот ниже 1 МГц - через измерение полной проводимости (см., напр., RU 2509315, опубл. 20.11.2013).

Недостатком этих способов является то, что они могут быть использованы только для измерения высоких значений диэлектрических параметров (например, добротности - 10⁶ и выше), при этом на погрешность измерения существенное влияние оказывает нестабильность частоты сигнала возбуждения и температурный режим. Также недостатками этих технических решений являются сложность их реализации и невысокая точность, обусловленная погрешностью измерения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка способа измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях, включая микропримеси металлов и серы, по пиковым характеристикам импедансных спектров, получаемых при анализе жидких диэлектриков в диапазоне низких частот.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях, включающем в себя введение исследуемой жидкости в измерительный датчик, снабженный эталонным конденсатором и выполненный в виде заполняемого конденсатора, подачу на электроды измерительного датчика переменного напряжения переменной частоты, согласно изобретению, подают на электроды измерительного датчика переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют спектральную характеристику измерительного датчика посредством определения электрической емкости измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты, при этом для каждой частотной точки производят установку рабочей частоты и сопротивления опорных резисторов с учетом комплексного значения сопротивления измерительного датчика, каждый шаг измерения синхронно оцифровывают по трем каналам - каналу опорного сигнала, каналу эталонного сигнала и каналу измеряемого сигнала для каждой частотной точки, для каждого канала рассчитывают средние значения полученных величин, полученные значения приводят к двухполярному сигналу, рассчитывают среднеквадратичные значения и на основании полученных данных рассчитывают косинусы углов сдвига фаз и косинусы углов диэлектрических потерь для эталонного конденсатора и для измерительного датчика, определяют углы диэлектрических потерь и фазовую погрешность, соответствующую значениям разницы углов фазового сдвига между эталонным конденсатором и измерительным датчиком, по полученным значениям строят графики спектрограмм, характеризующие компонентный состав продукта.

Для определения электрической емкости измерительного датчика измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком, на основании измеренных частот определяют емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости по формуле:

где

C_x - емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости, Ф;

F_bas - частота сигнала емкостного преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, Гц;

F_etal - частота сигнала емкостного преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором, Гц;

F_sens - частота сигнала емкостного преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком, размещенным в исследуемой жидкости, Гц;

C_etal - емкость эталонного конденсатора, Ф.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является уменьшение габаритов измерительного датчика и упрощение аппаратурной составляющей за счет применения импедансной спектроскопии в широком диапазоне малых частот от 10 Гц до 1 мГц при малой напряженности электрического поля, уменьшение времени и повышение точности определения диэлектрических параметров жидких диэлектриков по пиковым характеристикам получаемых спектрограмм, выражающих максимум информации о молекулярных взаимодействиях в диэлектрике и, как следствие, о составе измеряемой среды.

Предложенный способ измерения компонентного состава и примесей в малополярном жидком диэлектрике основан на зависимости диэлектрических потерь от частоты под действием напряженности электрического поля для поляризации диэлектрика в частотном диапазоне с линейно изменяющейся частотой и последующим определением углов фазового сдвига измерительного датчика относительно эталонного конденсатора. Способ применим при частотах от 10 Гц до 1 мГц и заключается в следующем.

Измерительный датчик выполнен в виде заполняемого исследуемой жидкостью, а именно диэлектриком, конденсатора и также снабжен эталонным конденсатором. После заполнения межэлектродного пространства измерительного датчика исследуемой жидкостью на его электроды подают переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют его спектральную характеристику. Для этого определяют электрическую емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты. Шаг изменения частот определяется в зависимости от частотного диапазона. Частоту в каждой измеряемой точке далее называем рабочей частотой. Для этого измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком. На основании измеренных частот определяют емкость датчика в исследуемой жидкости по формуле:

где

С_x - емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости, Ф;

F_etal - частота сигнала емкостного преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором, Гц;

C_etal - емкость эталонного конденсатора, Ф.

Далее для каждой частотной точки происходит установка рабочей частоты и сопротивления опорных резисторов. Для этого рассчитывается комплексное значение сопротивления измерительного датчика (импеданс) по формуле:

;

где

Х_с - комплексное значение сопротивления, Ом;

F - рабочая частота в измеряемой точке, Гц;

С_x - емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости, Ф.

Каждый шаг измерения синхронно оцифровывают по трем каналам - каналу опорного сигнала, каналу эталонного сигнала и каналу измеряемого сигнала для каждой частотной точки. Для каждого канала рассчитывают средние значения полученных величин:

;

где

SR_canal1 - среднее значение канала опорного сигнала, ед;

N - количество точек оцифровки, ед.

Data1[i] - каждое из N оцифрованных значений канала опорного сигнала, ед.

;

где

SR_canal2 - среднее значение канала эталонного сигнала, ед.

N - количество точек оцифровки, ед.

Data2[i]- каждое из N оцифрованных значений канала эталонного сигнала, ед.

;

где

SR_canal3 - среднее значение канала измеряемого сигнала, ед.

N - количество точек оцифровки, ед.

Data3[i] - каждое из N оцифрованных значений измерительного канала измеряемого сигнала, ед.

Полученные значения приводятся к двухполярному сигналу по формулам:

Data1dp[i]=Data1[i]-SR_canal1

где

Data1dp[i] - результат преобразования измеренного сигнала по каналу опорного сигнала в двухполярный сигнал, ед.

Data1[i] - каждое из N оцифрованных значений канала опорного сигнала, ед.

SR_canal1 - среднее значение канала опорного сигнала, ед.

Data2dp[i]=Data2[i]-SR_canal2,

где

Data2dp[i] - результат преобразования измеренного сигнала по каналу эталонного сигнала в двухполярный сигнал, ед.

Data2[i] - каждое из N оцифрованных значений канала эталонного сигнала, ед.

SR_canal2 - среднее значение канала эталонного сигнала, ед.

Data3dp[i]=Data3[i]-SR_canal3,

где

Data3dp[i] - результат преобразования измеренного сигнала по каналу измеряемого сигнала в двухполярный сигнал, ед.

Data3[i] - каждое из N оцифрованных значений канала измеряемого сигнала, ед.

SR_canal3 - среднее значение канала измеряемого сигнала, ед.

На основании полученных вычислений рассчитывают среднеквадратичные значения:

;

где

Val1 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала опорного сигнала, ед.

Data1dp[i] - результат преобразования измеренного сигнала по каналу опорного сигнала в двухполярный сигнал, ед.

N - количество точек оцифровки на, ед.

;

где

Val2 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала эталонного сигнала, ед.

N - количество точек оцифровки, ед.

;

где

Val3 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала измеряемого сигнала, ед.

N - количество точек оцифровки, ед.

Полученные двухполярные сигналы пересчитывают в шкалу от 0 до 1:

;

где

DataG[i] - значения по каналу опорного сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

Data1dp[i] - результат преобразования измеренного сигнала по каналу опорного сигнала в двухполярный сигнал, ед.

Val1 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала опорного сигнала, ед.

;

где

DataE[i] - значения по каналу эталонного сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

Val2 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов измеряемого канала эталонного сигнала, ед.

;

где

DataX[i] - значения по каналу измеряемого сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

Val3 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала измеряемого сигнала, ед.

Рассчитывают косинус угла сдвига фаз эталонного конденсатора

;

где

cosFil - косинус угла сдвига фаз эталонного конденсатора, ед.

DataG[i] - значения по каналу опорного сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

DataE[i] - значения по каналу эталонного сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

N - количество контрольных точек измерений на линейной шкале, ед.

Рассчитывают косинус угла сдвига фаз измерительного датчика

;

где

cosFi2 - косинус угла сдвига фаз измерительного датчика, ед.

DataG[i] - значения по каналу опорного сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

DataX[i] - значения по каналу измеряемого сигнала, пересчитанные в диапазон 0…1, ед.

N - количество контрольных точек измерений на линейной шкале, ед.

Рассчитывают косинус угла диэлектрических потерь для эталонного конденсатора

;

где

FIEcos - косинус угла диэлектрических потерь для эталонного конденсатора, ед.

Val1 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала опорного сигнала, ед.

Val2 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов измеряемого канала эталонного сигнала, ед.

cosFi1 - косинус угла сдвига фаз эталонного конденсатора, ед.

Рассчитывают косинус угла диэлектрических потерь для измерительного датчика:

;

где:

FIScos - косинус угла диэлектрических потерь для измерительного датчика, ед.

Val1 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала опорного сигнала, ед.

Val3 - среднеквадратичное значение двухполярных сигналов канала измеряемого сигнала, ед.

cosFi2 - косинус угла сдвига фаз измерительного датчика, ед.

Определяют углы диэлектрических потерь для эталонного конденсатора

;

где

FIE - угол диэлектрических потерь эталонного конденсатора, град.

FIEcos - косинус угла диэлектрических потерь для эталонного конденсатора, ед.

Определяют углы диэлектрических потерь для измерительного датчика

;

где

FIS - угол диэлектрических потерь измерительного датчика, град.

FIScos - косинус угла диэлектрических потерь для измерительного датчика, ед.

Определяют фазовую погрешность

DFI=FIE-FIS

где

DFI - фазовая погрешность, град.

FIE - угол диэлектрических потерь эталонного конденсатора, град.

FIS - угол диэлектрических потерь измерительного датчика, град.

По рассчитанным значениям DFI/рабочая частота строятся графики спектрограмм, значения которых характеризуют исследуемую жидкость по примесям, а по описываемым спектром площадям при сравнении полученного спектра исследуемой жидкости с образцовым спектром делают заключение о фактических параметрах компонентного состава исследуемой жидкости.

Сравнительный анализ по возможному применению предложенного способа с существующими способами особенно подчеркивает его универсальность в процессе проведения исследований молекулярных взаимодействий в жидких диэлектриках.

1. Способ измерения состава и концентраций примесей в малополярных жидкостях, включающий в себя введение исследуемой жидкости в измерительный датчик, снабженный эталонным конденсатором и выполненный в виде заполняемого конденсатора, подачу на электроды измерительного датчика переменного напряжения переменной частоты, отличающийся тем, что подают на электроды измерительного датчика переменное напряжение переменной частоты в диапазоне от 10 Гц до 1 мГц и измеряют спектральную характеристику измерительного датчика посредством определения электрической емкости измерительного датчика в исследуемой жидкости при шаговом изменении частоты, при этом для каждой частотной точки производят установку рабочей частоты и сопротивления опорных резисторов с учетом комплексного значения сопротивления измерительного датчика, каждый шаг измерения синхронно оцифровывают по трем каналам - каналу опорного сигнала, каналу эталонного сигнала и каналу измеряемого сигнала для каждой частотной точки, для каждого канала рассчитывают средние значения полученных величин, полученные значения приводят к двухполярному сигналу, рассчитывают среднеквадратичные значения и на основании полученных данных рассчитывают косинусы углов сдвига фаз и косинусы углов диэлектрических потерь для эталонного конденсатора и для измерительного датчика, определяют углы диэлектрических потерь и фазовую погрешность, соответствующую значениям разницы углов фазового сдвига между эталонным конденсатором и измерительным датчиком, по полученным значениям строят графики спектрограмм, характеризующие компонентный состав продукта.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для определения электрической емкости измерительного датчика измеряют базовую частоту сигнала преобразователя без его подключения к измерительному датчику и эталонному конденсатору, эталонную частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором и частоту сигнала преобразователя с подключенным к нему измерительным датчиком, на основании измеренных частот определяют емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости по формуле:

где

C_x - емкость измерительного датчика в исследуемой жидкости, Ф;

F_etal - частота сигнала емкостного преобразователя с подключенным к нему эталонным конденсатором, Гц;

C_etal - емкость эталонного конденсатора, Ф.

Изобретение относится к способу и устройству для реализации сенсорной кнопки и идентификации отпечатка пальца, а также к терминальному устройству, которые используются для объединения сенсорной кнопки с идентификацией отпечатка пальца.

Система оптимизации стабильности системы электропитания // 2636230

Группа изобретений относится к системам и способам анализа стабильности систем электропитания. Имитация системы (100) электропитания, включающей элементы-источники (109) и элементы-нагрузки (111), выполняется для получения данных (328) импеданса, причем данные (328) импеданса определяют импеданс системы (100) электропитания.

Устройство бесконтактного измерения электромагнитных параметров тонких пленок // 2626573

Устройство относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного оперативного измерения удельной электрической проводимости, а также диэлектрической и магнитной проницаемостей тонких пленок и наноматериалов.

Способ определения угла сдвига фаз свч-устройства с преобразованием частоты // 2621368

Изобретение относится к области радиоизмерений и может быть использовано при определении комплексных коэффициентов передачи СВЧ-устройств с преобразованием частоты, например, СВЧ-смесителей.

Быстродействующий преобразователь изменения сопротивления датчиков в электрический сигнал // 2619828

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения сигналов с различных первичных преобразователей, используемых для определения деформаций и напряжений при прочностных испытаниях объектов транспорта.

Способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов // 2618480

Изобретение относится к области измерительной техники. Предложен способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов (РПМ), включающий облучение образца радиопоглощающего материала и металлической пластины одинаковых размеров импульсными сверхширокополосными сигналами, регистрацию дискретных сигналов, соответствующих сигналам от образца радиопоглощающего материала - выборока Vc и от металлической пластины - выборока Vm, вычисление амплитудных спектров сигналов с помощью преобразования Фурье и получении частотной характеристики коэффициента отражения как отношения амплитудных спектров и, отличающийся тем, что сверхширокополосный сигнал находится в пикосекундном диапазоне, а выборки Vc и Vm до выполнения преобразования Фурье дополняют нулевыми отсчетами до длины N, причем N=2n≥100⋅N0, где N0 - изначальная длина выборок, а затем выполняют ядерное сглаживание выборок Vc и Vm в окне Гаусса с шириной h, причем h выбирается по принципу максимального правдоподобия с исключением объектов по одному по формуле , где V - исходная выборка, Vs - сглаживающая функция, V/{i} - выборка с исключенным i-м отсчетом.

Устройство для дистанционного измерения электрического сопротивления // 2616852

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля различных физических величин посредством резистивных датчиков, например терморезисторов.

Способ определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов // 2615601

Изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности для определения удельной электропроводности ионпроводящих материалов, в том числе полимерных пленок и тканей.

Способ измерения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материала с потерями в свч диапазоне // 2613810

Использование: для определения относительной комплексной диэлектрической проницаемости материалов с потерями. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью СВЧ рефлектометра измеряют зависимость коэффициента отражения Френеля плоского образца материала от угла падения в пределах от 40 до 90°, когда электрическое поле волны параллельно плоскости падения, после чего по графику зависимости коэффициента отражения Френеля от угла падения определяют угол Брюстера θв, а относительную комплексную диэлектрическую проницаемость ε образца материала или участка поверхности земли рассчитывают по формуле ε=(tgθв)2.

Преобразователь сопротивления и термо-эдс в напряжение // 2612200

Изобретение относится к информационно-измерительной технике и может быть использовано для преобразования изменения сопротивления резистивного первичного преобразователя температуры или деформации в напряжение и преобразования термо-ЭДС.

Устройство сбора данных, снабженное средством обнаружения отключения набора, состоящего по меньшей мере из одного аналогового сейсмического датчика // 2643208

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано в процессе проведения сейсморазведочных работ. Предлагается устройство сбора данных, содержащее пару входных выводов, выполненных с возможностью соединения с набором, состоящим по меньшей мере из одного аналогового сейсмического датчика, формирующего полезный сейсмический сигнал, и средство обнаружения отключения для обнаружения частичного или полного отключения набора, состоящего по меньшей мере из одного аналогового сейсмического датчика.

Способ определения уровня диэлектрического вещества // 2642166

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а конкретно к измерению электрических параметров двухполюсников, используемых в качестве датчиков физических процессов (температуры, давления, уровня жидких и сыпучих сред и др.) на промышленных объектах, транспортных средствах, а также в системах измерения уровня заправки ракетно-космической техники.

Способ определения параметров схемы замещения треугольник трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов // 2625099

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано при мониторинге электрических режимов в электроэнергетических системах. Сущность: в опытах короткого замыкания определяют напряжения короткого замыкания и потери активной мощности короткого замыкания.

Способ определения параметров трехлучевой схемы замещения трехобмоточных трансформаторов и автотрансформаторов // 2624591

Система мониторинга грозовых разрядов на воздушных линиях электропередачи // 2624402

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть применено для оперативного получения сведений о грозовой обстановке и интенсивности грозовой деятельности на трассах высоковольтных воздушных линий электропередач (ВЛ).

Способ получения параметров входного сопротивления линейного пассивного двухполюсника // 2623659

Изобретение относится к измерительной технике и заключается в получении численных значений модуля z и фазового угла ϕ комплексного сопротивления линейного пассивного двухполюсника.

Преобразователь приращения сопротивления в напряжение // 2622513

Изобретение относится к устройствам измерительной техники, в частности к первичным преобразователям, и может быть использовано в калориметрии, тензометрии, датчиках силы и давления.

Передатчик температуры процесса с улучшенной диагностикой датчика // 2617885

Изобретение относится к области термометрии и может быть использовано для контроля технологических параметров в производственных процессах. Передатчик (12) температуры процесса выполнен по меньшей мере с одним датчиком (32) температуры, имеющим множество проводов.

Измеритель параметров многоэлементных rlc- двухполюсников // 2615014

Изобретение относится к измерительной технике и, в частности, к технике измерения параметров объектов в виде пассивных двухполюсников с сосредоточенными параметрами, имеющих многоэлементную схему замещения.

Способ измерения составляющих полного сопротивления и устройство для его осуществления // 2608970

Изобретение относится к измерению и контролю составляющих полного сопротивления и может быть использовано для измерения напряжения на контактах полюсов и измерения внутреннего сопротивления гальванических элементов, аккумуляторов различных типов и батарей на их основе.

Максимизация разрешения распознавания сопротивления // 2648000

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство для увеличения разрешения распознавания сопротивления, содержащее: контроллер (108); источник (104) переменного тока, вырабатывающий переменный ток в ответ на значение тока, устанавливаемое контроллером; переменный резистор; и АЦП (106), который вырабатывает значение напряжения на основе переменного напряжения. При этом контроллер выполнен с возможностью приема значения напряжения, регулирования значения тока посредством ЦАП (110) на основе принятого значения напряжения таким образом, чтобы контроллер обеспечивал увеличение и/или уменьшение значения тока для обеспечения нахождения переменного напряжения в пределах диапазона напряжений по мере изменения переменного сопротивления, который меньше, чем максимальный диапазон (202, 302, 304, 206) напряжений, который может быть преобразован АЦП (106) в упомянутое значение напряжение; и определения переменного сопротивления на основе принятого значения напряжения и отрегулированного значения тока. 3 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.