устройство для определения плотности неполярных веществ в диэлектрическом трубопроводе

Формула изобретения

Устройство для определения плотности неполярных веществ в диэлектрическом трубопроводе, содержащее микроволновый генератор, первый и второй элементы связи, микроволновый детектор и индикатор, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введен кольцевой резонатор, выполненный в виде свернутого прямоугольного волновода, закрепленного открытыми концами диаметрально на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, причем выход микроволнового генератора через первый элемент связи соединен со входом кольцевого резонатора, выход кольцевого резонатора через второй элемент связи соединен со входом микроволнового детектора, выход которого подключен ко входу индикатора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами.

Известны радиоволновые измерители плотности жидких и сыпучих сред, использующие резонансные свойства отрезков длинных линий (см. В.А.Викторов и др. "Измерение количества плотности различных сред", М: "Энергия", 1973, стр. 96-97). В этих устройствах, основными узлами которых являются погруженный в измеряемую среду первичный преобразователь (отрезок длинной линии) и электронный блок, по резонансной частоте отрезка длинной линии определяют плотность.

Недостатками данных разработок следует считать контактность с измеряемой средой чувствительного элемента и изменение параметров его конструкции из-за температурных влияний, приводящие к погрешностям.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является принятое автором за прототип микроволновое устройство (см. В. А. Викторов и др. "Радиоволновые измерения параметров технологических процессов", М.: Энергоиздат, 1989, стр. 176-177), содержащее микроволновый генератор, соединенный через элемент связи возбуждения с измерительным открытым волноводом, элемент съема колебаний, соединенный через детектор с индикатором. В этом устройстве при прохождении контролируемого вещества через полый канал, образуемый измерительным открытым волноводом и расположенными у его торцов взаимно перпендикулярно двумя другими открытыми волноводами, по изменению возбужденной в измерительном открытом волноводе частоты получают информацию о контролируемом физическом параметре.

Недостатком этого устройства является погрешность, обусловленная сложностью процедуры получения различной поляризации волн в открытых волноводах.

Задачей, решаемой заявляемым техническим решением, является повышение точности измерения.

Поставленная задача достигается тем, что в устройство для определения плотности неполярных веществ в диэлектрическом трубопроводе, содержащее микроволновый генератор, первый и второй элементы связи, микроволновый детектор и индикатор, выход которого является выходом устройства, введен кольцевой резонатор, выполненный в виде свернутого прямоугольного волновода, закрепленного открытыми концами диаметрально на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, причем выход микроволнового генератора через первый элемент связи соединен со входом кольцевого резонатора, выход кольцевого резонатора через второй элемент связи соединен со входом микроволнового детектора, выход которого подключен ко входу индикатора.

Существенным отличительным признаком в указанной выше совокупности является наличие измерительного кольцевого резонатора.

В заявляемом техническом решении благодаря свойствам совокупности перечисленных признаков измерение собственной резонансной частоты кольцевого резонатора позволяет решить поставленную задачу: обеспечить более высокую точность измерения.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемого устройства.

Устройство содержит микроволновый генератор 1, первый элемент связи 2, соединенный со входом кольцевого резонатора 3, закрепленного на поверхности диэлектрического трубопровода 4, по которому протекает измеряемое вещество, второй элемент связи 5, соединенный через микроволновый детектор 6 со входом индикатора 7.

Устройство работает следующим образом. Электромагнитный сигнал с выхода микроволнового генератора 1 поступает в первый элемент связи 2. Выходным сигналом последнего возбуждают электромагнитные колебания в кольцевом резонаторе 3.

При отсутствии вещества в трубопроводе 4 собственную резонансную частоту кольцевого резонатора можно выразить как



где с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве, L_сред - средняя длина кольца, h = 1,2,3,... .

В рассматриваемом случае, так как кольцевой резонатор закреплен открытыми концами диаметрально (на одном уровне друг против друга) на наружной поверхности диэлектрического трубопровода, то при прохождении распространяющихся (вращающихся) по кольцевому резонатору волн через протекающее по трубопроводу вещество, должно происходить изменение (сдвиг) собственной резонансной частоты f_p. Следовательно, при наличии вещества в трубопроводе формула (1) примет следующий вид:



где - диэлектрическая проницаемость вещества.

Из формулы (2) видно, что по величине частоты f_p можно судить о диэлектрической проницаемости измеряемого вещества.

На основе использования формулы Клаузиуса-Мосотти (см. Сканави Г.И. "Физика диэлектриков", Гостехиздат, 1949) выражающей зависимость диэлектрической проницаемости от плотности неполярных веществ



где

(- молекулярный вес вещества, - поляризуемость вещества, N - число Авогодро), можно получить уравнение, связывающее частоту f_p с плотностью .

Совместное решение выражений (2) и (3) позволяет записать



Отсюда для имеем



Полученное выражение показывает, что путем измерения резонансной частоты кольцевого резонатора можно определить плотность вещества, протекающего по трубопроводу.

В предлагаемом устройстве для измерения частоты f_p сигнал с выхода кольцевого резонатора с помощью последовательно соединенных второго элемента связи 5 и микроволнового детектора 6 переносится в индикатор 7. Здесь по пику резонансной кривой, наблюдаемой так, например, на экране прибора для исследования амплитудно-частотных характеристик (АЧХ), можно оценить величину частоты, связанную с плотностью неполярного вещества в диэлектрическом трубопроводе.

Таким образом, в предлагаемом устройстве благодаря несложной процедуре образования измерительной области на стыке кольцевого резонатора и диэлектрического трубопровода, можно обеспечить определение плотности неполярных веществ более высокой точности измерения.