свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких средах

Классы МПК:G01N22/04 определение влагосодержания
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) (RU)
Приоритеты:
подача заявки:
2007-05-02
публикация патента:

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких сред. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения объемной доли влаги в жидких средах. Данный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ - резонаторном способе определения объемной доли влаги в жидких средах исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Н011, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Н011, дополнительно возбуждают колебание Е111, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е111 и по разности резонансных частот колебаний Н011 и Е 111 судят об объемной доли влаги в жидких средах. 4 ил., 1 табл. свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

Формула изобретения

СВЧ-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких средах, в котором исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который в свою очередь помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное колебание Н011, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием H011, отличающийся тем, что дополнительно возбуждают колебание Е111 , определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е111 и по разности резонансных частот колебаний Н011 и Е111 судят об объемной доли влаги в жидких средах.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к способам определения влажности жидких сред. Оно может найти применение в нефтехимической промышленности и лабораторной практике для контроля качества горюче-смазочных материалов и специальных жидкостей.

Известен способ определения влажности жидких сред (Неразрушающий контроль и диагностика. Справочник под ред. В.В.Клюева - М.: Машиностроение. 1995 г., с.337), в котором исследуемая жидкость вводится в электростатическое поле и определяется обратная реакция на источник этого поля. В качестве источника поля применяют электрический конденсатор, который является одновременно и первичным электроемкостным преобразователем (ЭП).

Недостатком известного способа является влияние на результат ионного состава влаги (засоленность) и высокая погрешность при измерении жидкостей с высоким тангенсом угла диэлектрических потерь (например, за счет высокой доли влагосодержания). ЭП может включатся в выносной резонансный контур. Частота колебаний и напряжение контура поддерживаются постоянными. Изменение емкости и проводимости контура после внесения объекта контроля в электрическое поле ЭП компенсируется с помощью варикапа или тунельного диода. Недостатком является влияние на результат ионного состава влаги и невысокая точность определения влагосодержания из-за низкой добротности резонансного контура (не выше 50).

Известен резонаторный способ определения объемной доли влаги (см. Берлинер М.А. Измерение влажности - М.: Энергия 1973), принятый за прототип. В прототипе исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора (ОР). При этом ось трубопровода совмещают с продольной осью объемного резонатора. Возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа Н 011. Выходной величиной первичного измерительного преобразователя служит вызванное введением исследуемой жидкости изменение резонансной частоты резонатора свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f=f-f0 (f - резонансная частота резонатора с исследуемой жидкостью; f0 - резонансная частота пустого ОР).

Недостатком прототипа является невысокая точность определения влажности жидкостей в полевых условиях, так как на резонансную частоту оказывает влияние изменение линейных размеров резонатора при вариации температуры. Для уменьшения влияния температуры на точность измерений элементы измерителя частоты (от геометрических размеров которых зависит длина волны) изготовляются из инвара или других сплавов. Температурный коэффициент линейного расширения инвара в 10...30 раз меньше по сравнению с медью, латунью, алюминием, серебром, бронзой, но при этом удельная проводимость этого металла меньше удельной проводимости перечисленных металлов в 30...50 раз. Это приводит к уменьшению добротности пустого резонатора, что значительно снижает точность измерений. Сочетание металлов, имеющих различные коэффициенты линейного расширения, позволяет получить удовлетворительную температурную компенсацию в широком интервале температур (±10°С). Однако работа в полевых условиях требует температурной компенсации в более широких пределах (плюс 50 ... минус 40°С). Водные пары, содержащиеся в воздухе, заполняющем резонатор, также оказывают заметное влияние на диэлектрическую постоянную воздуха, а следовательно, и на резонансную длину волны. В связи с этим при измерениях длины волны необходимо вносить поправку на влажность воздуха ОР (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963. - 632 с.).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности определения объемной доли влаги в жидких средах.

Данный технический результат достигается тем, что в известном СВЧ-резонаторном способе определения объемной доли влаги в жидких средах исследуемую жидкость помещают в трубопровод, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора, при этом ось трубопровода совмещают с продольной осью цилиндрического объемного резонатора, возбуждают электромагнитное поле типа Н011, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Н011, дополнительно возбуждают колебание Е111, определяют резонансную частоту цилиндрического объемного резонатора с электромагнитным колебанием Е111, по разности резонансных частот колебаний Н011 и Е 111 судят об объемной доли влаги в жидких средах.

На фиг.1 представлена схема расположения трубопровода с исследуемой жидкостью в цилиндрическом объемном резонаторе. На фиг.2 - зависимость разности возмущенных частот (fH011-f E111) колебаний H011 и Е 111 от свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см при коаксиальном расположении исследуемой среды при различных отношениях b/а, на фиг.3 - экспериментальная зависимость тока детектора IДТ при изменении частоты f питающего генератора СВЧ, на фиг.4 - устройство для определения объемной доли влаги в жидких средах.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем. Исследуемую жидкость помещают в трубопровод 2, который помещают в полость цилиндрического объемного резонатора (ОР) 1 (фиг.1). При этом ось трубопровода 2 совмещают с продольной осью Z объемного резонатора 1. Возбуждают электромагнитное поле (ЭМП) типа H011 без учета влияния трубопровода толщиной свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 на частоте (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.63, формула (3.18).)

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

где свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 0, свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 0 - абсолютные диэлектрическая и магнитная проницаемости вакуума соответственно; свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 - абсолютная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости; J0(3.832r/a) - функция Бесселя 1-го рода нулевого порядка; J1(3.832r/a) - 1-го рода 1-го порядка; а - радиус, а l - длина ОР; b - радиус трубопровода.

Далее возбуждают колебание Е 111. Определяют разность резонансных частот колебаний Н 011 и Е111. Зависимость разности резонансных частот колебаний Н011 и Е 111 от относительной диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см имеет вид (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.63, формула (3.19).)

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

Где свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

По свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см определяют объемную долю влаги с использованием формулы Лихтенекера (Клюев В.В. Неразрушающий контроль и диагностика: справочник / В.В.Клюев. - М.: Машиностроение, 1995. - 487 с.)

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

где свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 1 - относительная диэлектрическая проницаемость исследуемой жидкости без содержания влаги; свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 2 относительная диэлектрическая проницаемость воды на СВЧ; V - относительная объемная доля влаги.

На фиг.2 представлены теоретические зависимости разности свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 от свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см для различных отношений радиуса трубопровода b к радиусу резонатора а (а/b), а также экспериментальные значения разности частот свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 для a/b=0.1.

На фиг.3 а, б, в показана экспериментальная зависимость тока детектора при изменении частоты питающего генератора СВЧ при 40, 50, 60% содержании влаги в этиленгликоле соответственно. Параметры измерительной ячейки: длина ЦОР lсвч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 67 мм, радиус ЦОР асвч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 35 мм, b/а=0,1, исследуемая жидкость - этиленгликоль с 40,50 и 60% содержанием воды. Из графиков видно, что, установив определенный порог, можно отселектировать колебания, кроме основных H011 и E111. Из двух колебаний H011 и E111 необязательно определять тип колебания, так как измеряется разность резонансных частот, что устраняет возможность перепутывания типов колебаний. В связи с этим нет необходимости применения специальных фильтров колебаний, снижающих также добротность и основного колебания.

Для b/а=0.1 результаты эксперимента представлены в таблице. На основе формулы Лихтенекера V пересчитаны в свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см. Пересчитанные значения V в свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см также приведены в таблице 3.1.

Таблица. - Зависимость разности возмущенных частот свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 колебаний Н011 и Е 111 от свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см при коаксиальном расположении исследуемой среды
Измеряемый параметр Объемная доля влаги в этиленгликоле V,%
 40 5060
свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 52.859.6 66.3
свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 см35 40.246.3

Экспериментальная разность резонансных частот свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 в виде точек показана на фиг.2.

Так как резонансные частоты колебаний Н011 и Е 111 пустого ЦОР равны, то изменения температурного режима не сказываются на разности резонансных частот ЦОР: вырождение колебаний Н011 и Е111 сохраняется при вариации линейных размеров, что особенно существенно при работе датчика в полевых условиях, например, при контроле влажности специальных авиационных жидкостей. Вырождение сохраняется и при изменении влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР. Таким образом, не надо делать поправок на влажность воздуха, что упрощает устройство и повышает точность.

Таким образом, увеличение точности достигается за счет устранения температурной погрешности, вызывающей изменение линейных размеров ЦОР и погрешности за счет изменения влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость резонатора.

Оценим эту погрешность для известного метода с колебанием H011 при коаксиальном расположении исследуемой среды. Минимальную добротность ЦОР примем равной 100. Отношение b/а для свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 1=19,7; свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 2=81; V=0.6; свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 ж=16 См/м (удельная электропроводность воды (см. Кинг Р. Антенны в материальных средах: в 2 кн. - М.: Мир, 1984. - Кн.1. - 567 с.) на частоте 5.602 ГГц (резонансная частота колебания Н011 при V=0.6) из выражения для добротности колебания H011 при коаксиальном расположении исследуемой среды (см. Суслин М.А. Микроволновый контроль авиационных ГСМ с использованием радиотехнических методов расчета цепей с распределенными параметрами. - М.: Машиностроение-1. 2006 г, с.40, формула (2.46).)

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

равно 0.17 (b/a=0.17). Далее полученное отношение b/а подставим в выражение для частоты колебания Н 011 при коаксиальном расположении исследуемой среды (1). При этом абсолютный уход частоты Н011 составит 82 МГц.

Из справочных данных коэффициент линейного расширения для бронзы свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 =17,5·10-6 1/°C. (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963, с.247). С учетом а=35 мм, l=67 мм при изменении температуры от минус 40°С до плюс 40°С, по формуле (тот же источник, формула (5.42))

свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

уход частоты составит 18 МГц. Следовательно, погрешность, вызванная изменением линейных размеров в указанных температурах, составит 18/ 82·100%=22%. При уменьшении радиуса трубопровода погрешность будет увеличиваться. В частности, для Q, равной 1000, эта погрешность составит 41%.

Оценим изменение погрешности измерения диэлектрической проницаемости, а с ней и влажности, за счет изменения влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР.

Из номограммы поправок на влажность и температуру (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963., Рис.5. 45, 248 стр.) следует, что изменение температуры с 20 до 45°С и влажности воздуха с 60 до 100% приводит к изменению резонансной частоты на 0.03%. Так как резонансная частота пустого резонатора пропорциональна свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 , то диэлектрическая проницаемость воздуха свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 В изменится на 0.06%. Подставив в формулу (2) значения диэлектрической проницаемости воздуха, свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 В=свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 0=1 и свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 В=1.0006свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 0, разброс свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 значений свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 для свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 СМ=40.2 (см. таблица) составит свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 0.0015%.

Абсолютный уход свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f резонансной частоты колебания Н011 для b/а=0,1 и свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 СМ=40.2 составляет из (1) 55 МГц. Резонансная частота колебания Н011 пустого резонатора с параметрами: а=35 мм, l=67 мм составляет 5.6892 ГГц. С учетом, что изменение температуры с 20 до 45°С и влажности воздуха с 60 до 100% приводит к изменению резонансной частоты на 0.03% (см. Валитов Р.А. Радиотехнические измерения. - М.: Советское радио, 1963, Рис.5. 45, 248 стр.), свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 составит 3.1%.

С физической точки зрения такое отличие на 3 порядка объясняется тем, что вырождение колебаний Н 011 и Е111 сохраняется при изменении влажности воздуха, заполняющего внутреннюю полость ЦОР. А так как возмущенный объем находится на оси резонатора, где электрическое поле колебаний Н011 и Е 111 равно нулю и при этом для b/а=0.1 занимает 1/100 часть внутренней полости, то изменение диэлектрической проницаемости воздуха примерно одинаково влияет на резонансные возмущенные частоты этих колебаний. Таким образом, в предложенном двухмодовом способе не надо делать поправок на влажность воздуха или предпринимать специальных мер по ее устранению, как в одномодовом способе измерений, при этом значительно снижается погрешность, вызванная изменением линейных размеров ЦОР.

На фиг.4 изображен пример реализации устройства для определения объемной доли влаги в жидких средах.

Предложенное устройство состоит из цилиндрического объемного резонатора 1, на оси которого расположен трубопровод с исследуемой жидкостью 2, продольная ось трубопровода 2 совпадает с продольной осью ЦОР 1 перестраиваемого генератора СВЧ 5, его колебания через ответвитель 6 подаются на петлю связи 3. Выходной сигнал снимается с петли связи 4. Плоскости петель 3 и 4 расположены под углом 45° к плоскости чертежа, а сами петли расположены по середине длины ЦОР. В состав устройства входят также амплитудный детектор (АД) 7, аналого-цифровой преобразователь 8 (АЦП), выход которого соединен с первым информационном входом микропроцессора 9, а управляющий вывод микропроцессора - со входом цифро-аналогового преобразователя 10 (ЦАП). На первый вход смесителя 11 подаются колебания опорного генератора 12, на второй - колебания со второго выхода ответвителя 6, а его выход соединен со входом преобразователя "частота - код" 13, соединенного своим выходом со вторым информационным входом микропроцессора 9. Выходной сигнал ЦАП 10 управляет частотой перестраиваемого генератора СВЧ.

Устройство для определения объемной доли влаги в жидких средах работает в два цикла. В первом цикле СВЧ колебания перестраиваемого генератора СВЧ 5 направляются в ЦОР 1 через ответвитель. Управление частотой перестраиваемого генератора СВЧ 5 осуществляется кодом Ni={Nmin, N max} микропроцессора 9. При этом частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 изменяется от fmin до fmax. В ЦОР 1 петлей связи 3 последовательно возбуждаются колебания H011 и Е 111. Сигнал через петлю связи 4, АД 7, АЦП 8 поступает в микропроцессор 9, в котором запоминается код свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 соответствующий резонансной частоте колебания H 011 и код свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 соответствующий резонансной частоте колебания E 111. Во втором цикле микропроцессор 9 выдает код свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 Частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 устанавливается равной резонансной частоте колебания свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 Колебание этой частоты подается на первый вход смесителя 11, на второй вход которого поступает сигнал с опорного генератора СВЧ 12, имеющего постоянную частоту fon . На смесителе 11 выделяется колебание разностной частоты свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 и в виде кода свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f1 запоминается в микропроцессоре 9. Далее в микропроцессор 9 поступает код свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 . Частота перестраиваемого генератора СВЧ 5 устанавливается равной резонансной частоте колебания свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 На смесителе 11 выделяется колебание разностной частоты свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 и в виде кода свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f2 запоминается в микропроцессоре 9. Микропроцессор 9 по кодам свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f1 и свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 f2 определяет разность резонансных частот: свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217 Мерой объемной доли влаги V в жидких средах в устройстве является разность свч-резонаторный способ определения объемной доли влаги в жидких   средах, патент № 2334217

Класс G01N22/04 определение влагосодержания

устройство для измерения свойства диэлектрического материала -  патент 2528130 (10.09.2014)
способ измерения комплексной диэлектрической проницаемости жидких и сыпучих веществ -  патент 2509315 (10.03.2014)
способ определения сплошности потока жидкости в трубопроводе -  патент 2483296 (27.05.2013)
способ определения влагосодержания вещества -  патент 2468358 (27.11.2012)
радиофизический способ определения содержания физической глины в почвах -  патент 2467314 (20.11.2012)
свч-способ определения осажденной влаги в жидких углеводородах -  патент 2451929 (27.05.2012)
свч-способ определения влажности жидких углеводородов и топлив -  патент 2451928 (27.05.2012)
способ измерения влажности зерна зерновых сельскохозяйственных культур -  патент 2438117 (27.12.2011)
устройство для измерения влажности почвы -  патент 2433393 (10.11.2011)
дистанционный радиофизический способ определения физической глины в почвах -  патент 2411505 (10.02.2011)
Наверх