Патент на изобретение №2164021

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ СМЕСИ ВЕЩЕСТВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения концентрации смесей различных веществ. Устройство содержит контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде волноводного резонатора, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний соответственно к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора. Особенность устройства состоит в том, что оно содержит также отрезок коаксиальной линии с чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний. Это позволяет повысить точность определения концентрации смеси веществ в условиях изменения электрофизических параметров контролируемой жидкости. 3 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения концентрации смесей различных веществ, находящихся в емкостях (технологических емкостях, измерительных ячейках и т.п.) или перекачиваемых по трубопроводам.

Известны различные устройства для определения концентрации смесей, основанные на отличии электрофизических параметров жидкостей, образующих смесь (пат. США N 4751476, НКИ 331/65; пат. США N 4767982, НКИ 324/640; Европейский пат. N EP 0902276, кл. G 01 N 22/00; монография Викторов В.А., Лункин Б. В. , Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989, с. 168 – 177). Эти устройства содержат емкостные и радиоволновые чувствительные элементы (конденсаторы, волноводы, резонаторы и др.) Недостатком таких измерительных устройств является их невысокая точность, обусловленная зависимостью результатов измерений от электрофизических свойств контролируемых веществ в их смеси, в частности, базового вещества в смеси (растворе, эмульсии и др.).

Известно также техническое решение (авт. свид. СССР N 1497531, кл. G 01 N 22/04), которое содержит описание устройства, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому устройству и принятого в качестве прототипа. Это устройство-прототип содержит два объемных резонатора, включенных в качестве частотозадающих элементов в схемы соответствующих автогенераторов, блок вычислений и индикатор. Для проведения измерений в трубопроводе объемные резонаторы встроены в него на его измерительном участке последовательно. Данное устройство позволяет определять концентрацию, в частности, влагосодержание базового вещества независимо от его сортности, которая является функцией электрофизических параметров этого вещества.

Недостатком этого устройства-прототипа является невысокая точность измерения. Причиной этого является контроль с помощью указанных резонаторов разных областей жидкости, что заведомо предопределяет принципиально снижение точности измерения при изменении в процессе измерения электрофизических параметров контролируемой жидкости.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель в предлагаемом устройстве для определения концентрации смеси веществ, содержащем контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде водноводного резонатора, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подсоединенный выходом к индикатору, оно содержит также отрезок коаксиальной линии с контактирующим со смесью вторым чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений. Хотя бы один из торцов волноводного резонатора может быть выполнен открытым в виде запредельного волновода или совокупности металлических линий, форма и расположение которых на поверхности этого торца соответствуют возбуждаемому в резонаторе типу колебаний. Наружная поверхность волноводного резонатора может быть покрыта диэлектрической оболочкой.

Существенными отличительными признаками, по мнению авторов, являются: конструктивное совмещение чувствительных элементов, выполненных в виде волноводного резонатора и нагрузочного сопротивления отрезка коаксиальной длинной линии; выполнение хотя бы одного из торцов волноводного резонатора открытым; покрытие наружной поверхности волноводного резонатора диэлектрической оболочкой.

Совокупность отличительных признаков предлагаемого устройства обусловливает его новое свойство: обеспечение возможности контроля одной и той же области вещества, находящегося в технологической емкости, измерительной ячейке и др. Данное свойство обеспечивает полезный эффект, сформулированный в цели предложения.

На фиг. 1 показана частотная зависимость диэлектрической проницаемости дисперсного вещества в смеси. На фиг. 2 изображена схема предлагаемого устройства. На фиг. 3 показано размещение устройства при измерениях в технологическом аппарате. Здесь введены обозначения: 1 – волноводный резонатор, 2 и 3 – элементы возбуждения и схема колебаний в волноводном резонаторе, 4 – СВЧ-генератор, 5 – блок регистрации резонансной частоты, 6 и 7 – торцы волноводного резонатора, 8 – коаксиальная линия, 9 – блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты, 10 – блок вычислений, 11 – индикатор, 12 – стенка технологического аппарата.

Устройство работает следующим образом. Как и в прототипе, для проведения высокоточных измерений концентрации смеси веществ независимо от электрофизических параметров одного (базового) из веществ в смеси организуют два измерительных канала с соответствующими чувствительными элементами, контактирующими с контролируемой смесью веществ. Для проведения измерений в предлагаемом устройстве, как и в прототипе, необходимо наличие частотной дисперсии (т. е. зависимости от частоты f) диэлектрической проницаемости у хотя бы одного из веществ, образующих смесь. Частотной дисперсией обладает, в частности, вода с СВЧ-диапазоне электромагнитных волн. На фиг. 1 показана такая зависимость (f). Выбирая, в частности, для одного измерительного канала ВЧ-диапазон (менее 100 МГц), а для другого – СВЧ-диапазон ( 10 ГГц), будем иметь разные зависимости и (f) в этих частотных диапазонах и, соответственно, разные, требуемые принципиально, зависимости информативных параметров – резонансных частот электромагнитных колебаний – от концентрации смеси. Осуществляя, как и в прототипе, совместное преобразование в блоке вычитаний резонансных частот двух измерительных каналов, можно обеспечить отсутствие зависимости (т.е. инвариантность) от электрофизических параметров одного (базового) из веществ, образующих смесь. Частотной дисперсией (f) обладает не только вода, но и многие другие вещества (спирты, другие полярные жидкости). В предлагаемом устройстве пространственно совмещены два (ВЧ и СВЧ) измерительных канала.

Первому измерительному каналу (СВЧ) в предлагаемом устройстве соответствует волноводный резонатор 1, расположенный в емкости с контролируемым веществом и содержащий это вещество внутри полости резонатора (фиг. 2). В резонаторе 1 возбуждают электромагнитные колебания с помощью СВЧ-генератора 4 через элемент возбуждения колебаний 2. Определение резонансной частоты возбуждаемых в этом резонаторе электромагнитных колебаний, снимаемых с помощью элемента 3, осуществляют в блоке регистрации резонансной частоты 5. Элементы 2 и 3 могут быть выполнены, например, в виде проволочных петель (индуктивная связь).

Второму измерительному каналу (ВЧ) соответствует отрезок коаксиальной линии 8 с нагрузочным сопротивлением в виде чувствительного элемента на одном из его концов. Этот чувствительный элемент образован наружной поверхностью волноводного резонатора 1, также контактирующей с контролируемой смесью. Эта наружная поверхность резонатора 1 подсоединена к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на этом конце защемлен. В таком отрезке длинной (коаксиальной) линии как в резонаторе возбуждают электромагнитные колебания. Для их возбуждения и определения резонансной частоты служит блок 9 (автогенератор), в котором отрезок коаксиальной линии является частотозадающим элементом. Для повышения добротности такого резонатора целесообразно покрыть наружную поверхность резонатора 1 диэлектрической оболочкой. При этом вещество с произвольными электрофизическими параметрами является здесь двухслойным диэлектриком, характеризуемым эффективной диэлектрической проницаемостью.

Измеренные значения резонансных частот обоих измерительных каналов поступают в блок вычислений 10. С выхода этого блока сигнал, соответствующий концентрации смеси, поступает на индикатор 11. Данный сигнал не зависит от электрофизических параметров (в частности, диэлектрической проницаемости) одного из веществ (базового) в смеси, степень содержания в которой другого вещества, в частности, содержания воды или иного вещества, обладающего частотной дисперсией (f), подлежит определению.

Для обеспечения свободного доступа контролируемой смеси веществ внутрь полости волноводного резонатора 1 хотя бы один из его торцов 6 и 7 может быть выполнен частично открытым. При этом в качестве такой торцевой стенки может служить запредельный волновод, образованный, в частности, при диаметральном расположении внутри полости резонатора металлической плоскости у его торца. В качестве торцевой стенки резонатора 1 может быть также совокупность металлических линий, образующих решетку, форма и расположение которых соответствует силовым линиям возбужденного в резонаторе типа колебаний, в частности, низшего типа H₁₁₁ (см. книгу Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука, 1989, с. 173 – 176).

На фиг. 3 показано размещение элементов предлагаемого устройства в технологическом аппарате (показана его металлическая стенка 12). Здесь эта стенка 12 служит экраном, с которым соединен наружный проводник коаксиальной линии.

Приведем оценки размеров чувствительных элементов и соответствующих им диапазонов частот электромагнитных волн. Так, если диаметр полости волноводного резонатора равен 10 мм, а его длина равна 15 мм, то рабочий диапазон частот следует выбрать выше частоты 20 ГГц – критической частоты для низшего типа колебаний H₁₁. При этом диапазон рабочих частот ВЧ-измерительного канала (отрезок коаксиальной линии с нагрузкой в виде ВЧ-чувствительного элемента) зависит от длины отрезка линии. При длине 1 м диапазон частот 75 МГц (для короткозамкнутого на одном конце отрезка линии; изменение частоты определяется диапазоном измерения концентрации смеси).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение концентрации смеси различных веществ независимо от электрофизических параметров базового контролируемого вещества в смеси.

Формула изобретения

1. Устройство для определения концентрации смеси веществ, содержащее контактирующий с контролируемой смесью первый чувствительный элемент в виде волноводного резонатора, подключенный через элементы возбуждения и съема колебаний, соответственно, к СВЧ-генератору и блоку регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний этого резонатора, к выходу которого подключен первым входом блок вычислений, подсоединенный выходом к индикатору, отличающееся тем, что оно содержит также отрезок коаксиальной линии с чувствительным элементом на одном из его концов в виде нагрузочного сопротивления, образованного наружной поверхностью указанного волноводного резонатора и подсоединенного к внутреннему проводнику коаксиальной линии, наружный проводник которой на том же конце заземлен, и подсоединенный к другому концу отрезка коаксиальной линии блок генерации ВЧ-колебаний и регистрации резонансной частоты электромагнитных колебаний, к выходу которого подсоединен вторым входом блок вычислений.

2. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что хотя бы один из торцов волноводного резонатора выполнен открытым в виде запредельного волновода.

3. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что хотя бы один из торцов волноводного резонатора выполнен в виде совокупности металлических линий, форма и расположение которых на поверхности этого торца соответствует возбуждаемому в резонаторе типу колебаний.

4. Устройство для определения концентрации смеси веществ по п.1, отличающееся тем, что наружная поверхность волноводного резонатора покрыта диэлектрической оболочкой.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 01.05.2001

Номер и год публикации бюллетеня: 34-2002

Извещение опубликовано: 10.12.2002