RU2132547C1

RU2132547C1 - Electrolyte concentration measuring device

Info

Publication number: RU2132547C1
Application number: RU97105463A
Authority: RU
Inventors: Д.А. Дмитриев; М.А. Суслин; Е.И. Глинкин; С.В. Мищенко; П.А. Федюнин; М.Е. Глинкин
Original assignee: Тамбовский государственный технический университет
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1997-04-02
Publication date: 1999-06-27

Abstract

FIELD: physical and chemical analyses in chemical and associated industries. SUBSTANCE: measuring cell is built up of two cylindrical resonant chambers (measuring and working ones) of variable-length total diameter. Resonant chambers are separated by metal partition carrying automatic valve on its axis. Liquid is separated from working chamber space by means of loosely moving piston that varies its length by changing liquid volume. Measuring resonant chamber has dielectric piston easily moving over its length and compensating microwave ferrite volume placed horizontally right immediately to upper end wall of resonant chamber. In addition, device is provided with two couplers, Q-factor meter, phase detector, adjustable current supply, pulse shaper, liquid inlet/outlet control device connected to working resonant chamber inlet, and also fixed-frequency microwave oscillator. EFFECT: improved sensitivity, enlarged measurement range and functional capabilities. 4 dwg, 2 tbl

Description

Предполагаемое изобретение относится к физико-химическим исследованиям и может быть использовано в химической и других родственных с ней отраслях промышленности. The alleged invention relates to physico-chemical studies and can be used in chemical and other related industries.

Известно устройство для определения концентрации электролита [см. кн. Лопатин Б.А. Высокочастотное титрование с многозвенными ячейками. М.: Химия, 1980, с. 9-13] , состоящее из генератора высокой частоты, в цепь которого включена многозвенная емкостная измерительная ячейка. A device for determining the concentration of electrolyte [see Prince Lopatin B.A. High-frequency titration with multi-link cells. M .: Chemistry, 1980, p. 9-13], consisting of a high-frequency generator, the circuit of which includes a multi-link capacitive measuring cell.

Недостатком данного устройства являются низкая точность, ограниченный диапазон измерения, так как каждая ячейка работает только в своем диапазоне, достаточно большое время на проведение одного эксперимента, связанное с введением перемычек для последовательной коммутации во времени электродов многозвенной ячейки. The disadvantage of this device is the low accuracy, limited measurement range, since each cell operates only in its own range, a sufficiently long time for one experiment, associated with the introduction of jumpers for sequential time switching of the electrodes of the multilink cell.

За прототип принято устройство [см. Патент РФ, 2011983, G 01 N 27/02, 1944, Бюл. 8], состоящее из многозвенной ячейки, генератора высокой частоты, двунаправленного мультиплексора и микропроцессора. The prototype is a device [see RF patent, 2011983, G 01 N 27/02, 1944, Bull. 8], consisting of a multi-link cell, a high-frequency generator, a bi-directional multiplexer, and a microprocessor.

Недостатком данного устройства являются низкая и неравномерная чувствительность и ограниченный диапазон измерения. The disadvantage of this device is the low and uneven sensitivity and a limited measurement range.

Предполагаемое изобретение направлено на повышение чувствительности, расширение диапазона измерения и функциональных возможностей. The alleged invention is aimed at increasing sensitivity, expanding the measurement range and functionality.

Это достигается тем, что
1. В устройстве для определения концентрации электролита, содержащего ячейку в цепи генератора СВЧ дискретных частот и вычислитель, измерительную ячейку выполняют в виде двух цилиндрических резонаторов общего диаметра - рабочего переменной длины и измерительного, отделенные между собой металлической перегородкой, на оси которой находится автоклапан, при этом жидкость отделяется от полости рабочего резонатора свободноперемещающимся поршнем, изменяющим его длину объемом жидкости, измерительный резонатор содержит свободноперемещающийся по его длине диэлектрический поршень и объем компенсационного СВЧ- феррита, расположенного горизонтально вплотную к верхней торцевой стенке, в устройство дополнительно введены два ответвителя, измеритель добротности, фазовый детектор, управляемый источник тока, формирователь импульсов, устройство управления впуском-выпуском жидкости и создания избыточного давления, соединенного со входом рабочего резонатора, а также СВЧ-генератор постоянной частоты, выход последнего через первое и второе плечи первого ответвителя соединен с первым входом фазового детектора, а через первое и третье плечи - с первым входом измерителя добротности, первый выход которого объединен с возбуждающей петлей колебания H₀₁₁ измерительного резонатора, содержащего приемную петлю колебания H₀₁₁, которая связана через первое и второе плечи второго ответвителя со вторым входом фазового детектора, а через первое и третье плечи - со вторым входом измерителя добротности, второй выход которого соединен с первым информационным входом вычислителя, второй и третий входы которого связаны соответственно с выходом фазового детектора и выходом формирователя импульсов, управляющие выходы вычислителя объединены с соответствующими управляющими входами измерителя добротности, СВЧ- генератора дискретных частот, устройства управления впуском-выпуском жидкости и создания избыточного давления, управляемого источника тока, в цепь которого включен соленоид, намотанный снаружи измерительного объемного резонатора на уровне СВЧ-феррита для создания медленноменяющегося поля подмагничивания, рабочий резонатор содержит возбуждающий и приемный элементы связи в виде круглых или крестообразных щелей, при этом возбуждающий элемент связи связан с выходом СВЧ-генератора дискретных частот, а приемный - со входом формирователя импульсов.This is achieved by the fact that
1. In a device for determining the concentration of an electrolyte containing a cell in the circuit of a microwave generator of discrete frequencies and a calculator, the measuring cell is made in the form of two cylindrical resonators of a common diameter - a working variable length and a measuring one, separated by a metal partition, on the axis of which there is a valve, this fluid is separated from the cavity of the working resonator by a freely moving piston, changing its length by a volume of liquid, the measuring resonator contains freely moving Along its length, the dielectric piston and the volume of the compensation microwave ferrite located horizontally close to the upper end wall, two couplers, a Q-factor, a phase detector, a controlled current source, a pulse shaper, a device for controlling the inlet-outlet of the liquid and creating excess pressure connected to the input of the working resonator, as well as a microwave constant frequency generator, the output of the latter through the first and second shoulders of the first coupler is connected to the first the first input of the phase detector, and through the first and third shoulders - with the first input of the Q factor meter, the first output of which is combined with the exciting oscillation loop H _{011 of the} measuring resonator containing the receiving oscillation loop H ₀₁₁ , which is connected through the first and second arms of the second coupler to the second input phase detector, and through the first and third shoulders - with the second input of the Q factor meter, the second output of which is connected to the first information input of the calculator, the second and third inputs of which are connected respectively with the output of the phase detector and the output of the pulse shaper, the control outputs of the calculator are combined with the corresponding control inputs of the Q factor meter, microwave discrete frequency generator, device for controlling the inlet and outlet of the liquid and creating excess pressure, a controlled current source, the circuit of which includes a solenoid wound outside the measuring volume resonator at the level of microwave ferrite to create a slowly varying magnetization field, the working resonator contains an exciting and receiving electron ementy connection in the form of round or cross-shaped slits, the excitation coupling element connected to the output of the microwave generator of discrete frequencies, and receiving - to the input of the pulse shaper.

Принцип работы устройства заключается в следующем: формируют такую дозу исследуемой жидкости, чтобы наблюдалась максимальная чувствительность нагруженной добротности объемного резонатора (ОР) для текущей электропроводности при возбуждении в ОР колебания H₀₁₁ постоянной частоты посредством автоподстройки за счет компенсационного объема СВЧ-феррита, магнитная проницаемость которого управляется постоянным полем подмагничивания. Это можно пояснить на структурной схеме (фиг. 1). Измерительная ячейка (фиг. 1) состоит из измерительного объемного резонатора (ОР) 1, формирующего необходимую дозу. В рабочем объеме дозатора 2 находится исследуемая дозируемая жидкость, она отделена от рабочего резонатора 3 бесконтактным металлическим поршнем 4, свободно перемещающимся по длине диаметра 2, образуя переменные рабочий объем и длину L рабочего резонатора. Горизонтально, вплотную к верхней торцевой стенке ОР 1 находится компенсационный объем СВЧ-феррита 5.The principle of operation of the device is as follows: form a dose of the investigated liquid so that the maximum sensitivity of the loaded Q-factor of the cavity resonator (OR) is observed for the current conductivity when the H ₀₁₁ oscillation of constant frequency is excited in the OR by means of auto-tuning due to the compensation volume of the microwave ferrite, whose magnetic permeability is controlled constant bias field. This can be explained in the structural diagram (Fig. 1). The measuring cell (Fig. 1) consists of a measuring volume resonator (OR) 1, forming the necessary dose. In the working volume of the dispenser 2 is the studied dosed liquid, it is separated from the working resonator 3 by a non-contact metal piston 4, freely moving along the length of the diameter 2, forming variable working volume and length L of the working resonator. Horizontally, close to the upper end wall of the OP 1 is the compensation volume of the microwave ferrite 5.

В рабочем резонаторе 3 в общем случае по мере перемещения поршня 4 возникает резонанс колебаний E_mnp и H_mnp на дискретных частотах f_2ген, где E и H - электрические и магнитные колебания цилиндрического ОР, m - число полуволн, укладывающихся по длине окружности резонатора, n - по радиусу, p - по длине резонатора.In the working resonator 3 in the general case, as the piston 4 moves, a resonance of oscillations E _mnp and H _{mnp occurs} at discrete frequencies f _2gen , where E and H are the electric and magnetic vibrations of the cylindrical OP, m is the number of half waves that fit along the circumference of the resonator, n - along the radius, p - along the length of the resonator.

Фиксация двух выбранных по определенному алгоритму резонансов колебаний (колебания) из всего набора возможных колебаний E_mnp, H_mnp и дискретных питающих частот дает разность длин L₁ и L₁ рабочего ОР 3 и, следовательно, известную дозу жидкости, поступающую в измерительный ОР 1 (на фиг. 1 уровень жидкости показан штриховой линией). Частота генератора, питающая измерительный резонатор 1, постоянная, а изменение настройки ОР, которая вызывается переменные уровнем жидкости, компенсируется вариацией постоянного поля подмагничивания, изменяющего магнитную проницаемость (компонентов тензора магнитной проницаемости) компенсационного объема СВЧ-феррита 5.Fixation of two oscillation (vibration) resonances selected according to a specific algorithm from the entire set of possible oscillations E _mnp , H _mnp and discrete supply frequencies gives a difference in the lengths L ₁ and L _{1 of the} working OP 3 and, therefore, the known dose of liquid entering the measuring OP 1 ( in Fig. 1, the liquid level is shown by a dashed line). The frequency of the generator supplying the measuring resonator 1 is constant, and the change in the OR setting, which is caused by the liquid level variables, is compensated by the variation of the constant magnetization field, which changes the magnetic permeability (components of the magnetic permeability tensor) of the compensation volume of the microwave ferrite 5.

Нагруженная добротность измерительного резонатора 1 равна

где Q_o - добротность, обусловленная потерями на ввод-вывод электромагнитной энергии, ее можно принять за добротность резонатора без возмущенного объема в виде исследуемой жидкости;
Q_γ - потерями в жидкости.The loaded figure of merit of the resonator 1 is

where Q _o - the quality factor due to losses on the input-output of electromagnetic energy, it can be taken as the quality factor of the resonator without a perturbed volume in the form of the investigated fluid;
Q _γ - losses in the liquid.

При постоянстве настройки частоты ОР, равной частоте внешнего питающего генератора f_1ген:

здесь h_н = h/c - нормированный уровень жидкости;
ε_ж, ε_o - диэлектрические проницаемости вакуума и жидкости соответственно;
γ_ж - текущая удельная электропроводности жидкости в См/м.With a constant frequency setting OP equal to the frequency of the external supply generator f _1gen :

here h _n = h / c is the normalized liquid level;
ε _W , ε _o - dielectric constant of vacuum and liquid, respectively;
γ _W - the current conductivity of the liquid in S / m.

На фиг. 2 показано расчетное семейство зависимостей нагруженной добротности Q от γ_ж с учетом (2) при различных величинах нормированного уровня жидкости h_н для ε_ж/ε_o= 3 на постоянной резонансной частоте колебания H₀₁₁ (ход кривых не меняется, например, при увеличении отношения ε_ж/ε_o происходит смещение в сторону больших γ_ж , а на фиг. 3 - зависимости чувствительности дробности от γ_ж при различных величинах h_н. Анализ графиков 2 и 3 показывает, что максимум чувствительности (точка перегиба кривых Q = F2 (γ_ж) в диапазоне от 10^-4 См/м до 1 См/м приходится на один уровень Q = Q_smax, который лишь при γ_ж ≤ 10^-4 См/м функционально зависит от γ_ж (кривая Q_smax = F2 (γ_ж) , см. идентичную кривую S_max = kF2 (γ_ж) на фиг. 3).In FIG. Figure 2 shows the calculated family of dependences of the loaded Q factor Q on γ _g , taking into account (2) for various values of the normalized liquid level h _n for ε _w / ε _o = 3 at a constant resonant frequency of oscillation H ₀₁₁ (the course of the curves does not change, for example, with increasing ratio ε _w / ε _o there is a shift towards large γ _w , and in Fig. 3 the dependence of the sensitivity of fractionality on γ _w for various values of h _n . Analysis of graphs 2 and 3 shows that the maximum sensitivity (the inflection point of the curves Q = F2 (γ _g ) in the range from 10 ^-4 S / m to 1 S / m falls on one the level Q = Q _smax , which only for γ _w ≤ 10 ^-4 S / m functionally depends on γ _w (Q _smax = F2 (γ _w ), see the identical curve S _max = kF2 (γ _w ) in FIG. 3).

Рассмотрим пример. Пусть текущее значение удельной электропроводности равно γ_ж= 8 • 10^-5 См/м.Consider an example. Let the current value of electrical conductivity be equal to γ _w = 8 • 10 ^-5 S / m.

Максимальной чувствительности нагруженной добротности соответствует относительный уровень h_н = 0.1 (см. фиг. 2, 3). Примем f_2ген = 5 ГГц и при a/λ_1ген= 1, где λ_1ген - длина волны питающего генератора частотой f_1ген, резонансная длина колебания H₀₁₁ - L=0.0379 м, тогда h = 0.0038 м. По аналогичной методике, например, для γ_ж= 8 • 10^-4 См/м, оптимальный дозируемый нормируемый уровень h_н = 0.05 формируется по разнице резонансных длин L резонатора колебаний E₀₁₂, 5.01 ГГц и H₁₁₂, 5 ГГц (см. табл. 1, 2).The maximum sensitivity of the loaded Q factor corresponds to a relative level h _n = 0.1 (see Fig. 2, 3). We take f _2gen = 5 GHz and for a / λ _1gen = 1, where λ _1gen is the wavelength of the supply generator with a frequency f _1gen , the resonant oscillation length H ₀₁₁ is L = 0.0379 m, then h = 0.0038 m. By a similar technique, for example, for γ _w = 8 • 10 ^-4 S / m, the optimum dosed normalized level h _n = 0.05 is formed by the difference in the resonance lengths L of the oscillation resonator E ₀₁₂ , 5.01 GHz and H ₁₁₂ , 5 GHz (see tables 1, 2).

Покажем как дозатор 2 сформирует данный уровень h. Резонансная длина L рабочего резонатора 3 дозатора 2 при резонансе одного из колебаний E_mnp и H_mnp имеет вид

где λ_г - длина волны генератора дискретных частот f_2ген;
X_mn - характеристическое число;
a - радиус ОР;
p - число полуволн, укладывающихся по длине резонатора.We show how dispenser 2 will form a given level h. The resonance length L of the working resonator 3 of the dispenser 2 with the resonance of one of the oscillations E _mnp and H _mnp has the form

where λ _g - wavelength of the generator of discrete frequencies f _2gen ;
X _mn is the characteristic number;
a is the radius of the OP;
p is the number of half-waves stacked along the length of the resonator.

В табл. 1, 2 приведены резонансные длины для различных типов колебаний и частот f_2ген (при условии λ_г/a = 1, при f_2ген = 5 ГГц). Вышеназванный уровень h можно образовать, например, как разность резонансных длин L1 колебания Е₀₁₂ на частоте 5 ГГц и L2 колебания E₀₂₁ на частоте 5.01 ГГц δL = L1 - L2 = 0.0025 м, что не более чем на 0.8% отличается от оптимального нормированного уровня. Данную относительную погрешность можно принять за ошибку квантования дозируемого объема. По сути дела реализуется компенсационный метод измерений, в значительной степени уменьшающий случайную погрешность. Устранение методической погрешности вследствие дисперсии диэлектрической проницаемости и электропроводности жидкости (разброс этих параметров от частоты) достигается постоянством настройки колебания H₀₁₁ измерительного ОР 1. Предлагаемый способ реализует постоянство чувствительности в широком диапазоне (3-4 порядка), в отличие от прототипа, где один порядок по электропроводности.In the table. _Figures 1 and 2 show the resonance lengths for various types of oscillations and frequencies f _2gen (under the condition λ _g / a = 1, with f _2gen = 5 GHz). The above level h can be formed, for example, as the difference between the resonance lengths L1 of the oscillation E ₀₁₂ at a frequency of 5 GHz and L2 of the oscillation E ₀₂₁ at a frequency of 5.01 GHz δL = L1 - L2 = 0.0025 m, which differs by no more than 0.8% from the optimal normalized level . This relative error can be taken as the quantization error of the dosed volume. In fact, a compensation method of measurements is being implemented, which significantly reduces the random error. The elimination of the methodological error due to the dispersion of the dielectric constant and electrical conductivity of the liquid (the dispersion of these parameters from the frequency) is achieved by the constant adjustment of the oscillation H _{011 of the} measuring OR 1. The proposed method implements the sensitivity constant in a wide range (3-4 orders of magnitude), in contrast to the prototype, where one order electrical conductivity.

Таким образом, текущей электропроводности ставится в соответствие два типа колебания и их резонансные частоты, разность резонансных длин волн которых в дозаторе 2 жидкости образует оптимальный объем, соответствующий максимальной нагруженной добротности измерительного резонатора 1 при возбуждении в нем колебания H₀₁₁ постоянной частоты за счет изменения гидромагнитных свойств СВЧ-Феррита 5, находящегося вплотную к верхней торцевой стенке этого резонатора.Thus, two types of oscillations and their resonant frequencies are associated with the current conductivity, the difference of the resonant wavelengths of which in the liquid dispenser 2 forms the optimal volume corresponding to the maximum loaded figure of merit of the measuring resonator 1 when the oscillation H _{011 of} constant frequency is excited due to a change in the hydromagnetic properties Microwave Ferrite 5, which is located close to the upper end wall of this resonator.

На основании выше изложенного можно предложить следующие алгоритмы работы устройства. Based on the foregoing, the following algorithms for the operation of the device can be proposed.

Первым, наиболее точным является алгоритм определения γ_ж через код "mnp" колебаний посредством наиболее оптимального дозирования объема исследуемой жидкости в измерительный ОР 1 как разность резонансных длин L колебаний E_mnp и H_mnp рабочего резонатора 3 дозатора 2. Этот алгоритм работы отличается высокой точностью, но требует больших временных затрат.The first, most accurate is the algorithm for determining γ _g through the code “mnp” of oscillations by means of the most optimal dosing of the volume of the investigated liquid in the measuring OR 1 as the difference of the resonance lengths L of the oscillations E _mnp and H _{mnp of the} working resonator 3 of the dispenser 2. This operation algorithm is highly accurate, but it requires a lot of time.

Вторым является расчетный алгоритм, сущность которого заключается в формировании дозы постоянного объема с известной диэлектрической проницаемостью и помещением ее в измерительный цилиндрический резонатор 1, в котором возбуждают колебание H₀₁₁ постоянной частоты, измеряют нагруженную добротность ОР и по ее значению определяют γ_ж. Главное достоинство этого способа - высокая оперативность, недостаток - метод прямых измерений.The second is the calculation algorithm, the essence of which consists in forming a constant dose volume with a known permittivity and placing it into the measuring cylinder resonator 1 in which oscillates H ₀₁₁ constant frequency, measured OR loaded Q and its value is determined γ _w. The main advantage of this method is high efficiency, the disadvantage is the method of direct measurements.

Третий алгоритм работы является средним между двумя первыми. Он заключается в том, что по измеренной добротности нагруженного измерительного цилиндрического резонатора 1, при подаче в него первой дозы, из сравнения ее с пороговым значением добротности, соответствующей максимуму чувствительности, рассчитывается объем и "знак" второй дозы исследуемой жидкости, тем самым оптимизируя объем подаваемой первичной дозы. The third algorithm is the middle between the first two. It consists in the fact that according to the measured quality factor of the loaded measuring cylindrical resonator 1, when the first dose is fed into it, comparing it with the threshold value of the quality factor corresponding to the maximum sensitivity, the volume and the “sign” of the second dose of the test liquid are calculated, thereby optimizing the volume of supplied primary dose.

Устройство состоит (фиг. 4) из измерительного ОР 1, дозатора жидкости 2, содержащего рабочий резонатор 3 и бесконтактный металлический поршень 4, компенсационного объема СВЧ-феррита 5, расположенного горизонтально у верхней торцевой стенки ОР 1, генератора СВЧ 6 постоянной частоты f_1ген, первого ответвителя 7, измерителя добротности 8, второго ответвителя 9, фазового детектора (ФД) 10, управляемого источника тока (УИТ) 11, выполненного на базе цифроаналогового преобразователя (ЦАП), вычислителя 12, выполненного на базе микропроцессора, петли 13 для возбуждения колебания H₀₁₁ ОР 1, рабочего объема 14 с дозируемой жидкостью, соленоида 15, намотанного снаружи на боковой стенке резонатора на уровне СВЧ-феррита 5 для создания медленноменяющегося магнитного поля, приемной петли 16 колебания H₀₁₁, элементов связи 17 и 18 рабочего резонатора 3 в виде щелей для возбуждения и приема электромагнитной энергии колебания E_mnp и H_mnp, СВЧ-генератора 19 дискретных частот f_2ген, формирователя импульсов 20, устройства 21 управления впуском-выпуском жидкости и создания избыточного давления, диэлектрического поршня 22, свободного перемещающегося по длине L измерительного резонатора ОР 1, а также автоклапана 23, управляющего впуском-выпуском жидкости в измерительный резонатор ОР 1.The device consists (Fig. 4) of a measuring OP 1, a liquid dispenser 2, containing a working resonator 3 and a non-contact metal piston 4, a compensation volume of microwave ferrite 5, which is located horizontally at the upper end wall of OP 1, a microwave generator 6 of constant frequency f _1gen , first coupler 7, Q-meter 8, second coupler 9, phase detector (PD) 10, controlled current source (UIT) 11, made on the basis of a digital-to-analog converter (DAC), calculator 12, made on the basis of a microprocessor, loop 13 for excitation of the oscillation H ₀₁₁ OP 1, the working volume 14 with the dosed liquid, the solenoid 15 wound externally on the side wall of the resonator at the level of the microwave ferrite 5 to create a slowly changing magnetic field, the receiving loop 16 of the oscillation H ₀₁₁ , communication elements 17 and 18 of the working resonator 3 in the form of slots for excitation and reception of electromagnetic energy, oscillations E _mnp and H _mnp , a microwave generator 19 of discrete frequencies f _2gen , a pulse shaper 20, a device 21 for controlling the inlet and outlet of the liquid and creating excess pressure, the dielectric piston 22 free moving along the length L of the measuring resonator OP 1, as well as an automatic valve 23 controlling the inlet-outlet of the liquid into the measuring resonator OP 1.

Измеритель нагруженной добротности 8 выбран стандартным и подробно описан в (см. А. С. N 1592728. Способ измерения добротности резонаторов, Б.Р. Т34, 1990 г) и где добротность определяется по интервалу времени от начала модулирующего импульса до значения продетектированного сигнала, равное Q: импульсную модуляцию ЭМ волны осуществляют путем манипуляции ее фазы на π:
Q = 4,5•f_1ген•Δt_o, (4)
где Δt_o - измеренное значение интервала времени.The loaded Q factor 8 meter is selected as standard and described in detail in (see A. S. N 1592728. The method of measuring the Q factor of resonators, BR T34, 1990) and where the Q factor is determined by the time interval from the beginning of the modulating pulse to the value of the detected signal, equal to Q: pulsed modulation of the EM wave is carried out by manipulating its phase by π:
Q = 4,5 • f _1gen • Δt _o , (4)
where Δt _o is the measured value of the time interval.

Временные диаметры подробно представлены в описании А.С. В схеме измерителя добротности (см. А.С. N 1592728) применительно к предлагаемому устройству отсутствует генератор импульсов. Управление осуществляется вычислителем 12: в режиме измерения Q на управляющем выходе вычислителя - последовательность импульсов, в режиме автоподстройки измерительного ОР 1 - напряжение постоянного уровня. Temporary diameters are presented in detail in the description of A.S. In the circuit of the quality factor meter (see A.S. N 1592728) as applied to the proposed device, there is no pulse generator. The control is carried out by the calculator 12: in the measurement mode Q at the control output of the calculator - a sequence of pulses, in the auto-tuning mode of the measuring OR 1 - constant voltage level.

ФД 10 включает на выходе формирователь импульсов, который преобразует сигналы положительной или отрицательной полярности соответственно в нормированные по уровню сигналы управления вычислителем 12. PD 10 includes a pulse shaper at the output, which converts the signals of positive or negative polarity, respectively, to the level-normalized control signals of the calculator 12.

Формирователь импульса 20 формирует импульсы логического "0" в момент резонанса. The pulse shaper 20 generates pulses of a logical "0" at the time of resonance.

Весь возможный диапазон изменения γ_ж квантуется и на каждое значение γ_ж в вычислителе 12 поставлены в соответствие типы колебаний E_mnp и H_mnp и их частоты, разница резонансных длин L которых дает оптимальный нормированный дозируемый уровень, соответствующий максимальной чувствительности нагруженной добротности измерительного резонатора (см. приведенный выше пример соответствия γ_{ж =} типам колебаний и их частотам).The entire possible range of variation of γ _W is quantized and the vibration types E _mnp and H _mnp and their frequencies are set for each value of γ _W in the calculator 12, the difference of the resonant lengths L of which gives an optimal normalized dosage level corresponding to the maximum sensitivity of the loaded Q-factor of the measuring resonator (see . the above example of the correspondence of γ _{w =} types of oscillations and their frequencies).

В предлагаемом устройстве происходит раздельное формирование дозы (в дозаторе 2) и измерение добротности (в измерительном ОР 1). In the proposed device there is a separate formation of the dose (in the dispenser 2) and the measurement of quality factor (in the measuring OR 1).

Рассмотрим работу устройства на примере измерения γ_ж= 3 • 10^-2 См/м: оптимальный нормированный уровень h_н = 0.03. В исходном состоянии ток соленоида 15 минимален и равен I_min. Измеритель добротности 8 работает в режиме фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), т.е. на вход его фазового манипулятора подается напряжение постоянного уровня, ЭМ колебание СВЧ-генератора 6 постоянной частоты f_1ген через ответвитель 7, измеритель добротности 8 подается на петлю 13, возбуждая в ОР 1 колебание H₀₁₁. Отраженная энергия через первое и третье плечи ответвителя 9 подается на первый вход ФД 10, на второй вход которого поступает сигнал непосредственно с СВЧ-генератора 6 через ответвитель 7. При резонансе колебания H₀₁₁ ОР 1 на выходе ФД 10 формируются нормированные импульсы случайной длительности отрицательной или положительной полярности, ток УИТ 11 через вычислитель 12 колеблется на одну дискрету около постоянного значения, автоклапан 23 закрыт, жидкость в дозатор 2 не поступает. Под действием повышенного давления диэлектрический поршень 22 занимает крайнее нижнее положение, а бесконтактный металлический поршень 4 - крайнее верхнее. Частота генератора f_2ген = 5 ГГц. Посредством элемента связи 17 в виде щели при таком положении поршня 4 в резонаторе 3 возбуждается колебание E₀₁₂ с максимальной резонансной длиной L = 0.0649 м (табл. 1, 2). В целях получения оптимальной дозы дозатор 2 вначале формирует пробную - самую минимальную. В нашем случае h_н = 0.01. Из приведенного выше примера видно, что эта высота h жидкости соответствует разности резонансных длин колебаний H₀₁₁ при f=5 ГГц и H₀₁₁ при f = 5.03 ГГц) (эта информация хранится в памяти вычислителя). Тип резонируемого колебания в ОР 2 определяется числом возникающих колебаний и частотой генератора дискретных частот 19: в крайнем верхнем положении на F_2ген = 5 ГГц резонирует колебание E₀₁₂, далее по мере поступления жидкости (опускании поршня 4) последовательно резонируют E₀₂₁, H₁₁₂, H₁₂₁, E₂₁₁, H₀₁₁, после резонанса H₀₁₁, переключив частоту генератора дискретных частот 19 на f_2ген = 5.03 ГГц, наступает седьмой резонанс того же колебания H₀₁₁, но на частоте 5.03 ГГц. После последнего резонанса устройством управления вводом-выводом жидкости впуск жидкости прекращается. Автоклапан 23 открывается, частота СВЧ-генератора 19 перестраивается на f_2ген = 5 ГГц, под действием избыточного давления поршень 4 поднимается, жидкость попадает в нижнюю полость ОР 1, подъем поршня продолжается до резонанса колебания H₀₁₁ на частоте f_2ген = 5 ГГц в рабочем резонаторе 3 дозатора 2.Consider the operation of the device by the example of measurement γ _w = 3 • 10 ^-2 S / m: the optimal normalized level h _n = 0.03. In the initial state, the current of the solenoid 15 is minimal and equal to I _min . The Q meter 8 operates in the phase locked loop (PLL) mode, i.e. a constant voltage is applied to the input of its phase manipulator, EM oscillation of a microwave generator 6 of constant frequency f _1gen through a coupler 7, quality factor 8 is fed to loop 13, exciting H ₀₁₁ in OP 1. The reflected energy through the first and third shoulders of the coupler 9 is fed to the first input of the PD 10, the second input of which receives a signal directly from the microwave generator 6 through the coupler 7. When the oscillation resonance is H ₀₁₁ OR 1, normalized pulses of random duration of negative or positive polarity, the current of UIT 11 through the calculator 12 oscillates by one discrete around a constant value, the automatic valve 23 is closed, the liquid does not enter the dispenser 2. Under the action of increased pressure, the dielectric piston 22 is in its lowest position, and the non-contact metal piston 4 is at its highest. The frequency of the generator f _2gen = 5 GHz. By means of a coupling element 17 in the form of a gap, at this position of the piston 4, the oscillation E _{012 is} excited in the resonator 3 with a maximum resonant length L = 0.0649 m (Tables 1, 2). In order to obtain the optimal dose, dispenser 2 first forms a trial - the minimum. In our case, h _n = 0.01. It can be seen from the above example that this height h of the liquid corresponds to the difference of the resonant oscillation lengths H ₀₁₁ at f = 5 GHz and H ₀₁₁ at f = 5.03 GHz) (this information is stored in the memory of the calculator). The type of resonant oscillation in OR 2 is determined by the number of oscillations and the frequency of the discrete frequency generator 19: in the highest position at F _2gen = 5 GHz, the oscillation E ₀₁₂ resonates, then, as the liquid arrives (lowering the piston 4), E ₀₂₁ , H ₁₁₂ , H ₁₂₁ , E ₂₁₁ , H ₀₁₁ , after the resonance of H ₀₁₁ , switching the frequency of the discrete frequency generator 19 to f _2gen = 5.03 GHz, the seventh resonance of the same oscillation H ₀₁₁ occurs, but at a frequency of 5.03 GHz. After the last resonance, the fluid inlet / outlet control device stops the fluid inlet. The auto-valve 23 opens, the frequency of the microwave generator 19 is tuned to f _2gen = 5 GHz, under the influence of excessive pressure the piston 4 rises, the liquid enters the lower cavity of OP 1, the piston continues to oscillate up to resonance H ₀₁₁ at a frequency f _2gen = 5 GHz in operating resonator 3 dispenser 2.

В этот момент вычислитель 12 фиксирует через формирователь импульсов 20 резонанс этого колебания - автоклапан 23 закрывается. По мере заполнения нижней полости ОР 1 он выходит из резонанса: на выходе ФД 10 нормированное напряжение, знак которого определяет сторону расстройки, вычислитель 12 своим управляющим выходом воздействует на УИТ 11, изменяя ток соленоида 15, а с ним и напряженность постоянного магнитного поля, при этом величина расстройки ОР 1, вызванная переменным уровнем h, компенсируется магнитной проницаемостью СВЧ-феррита 5, т.е. настройка ОР 1 остается неизменной. После заполнения нижней полости вычислитель 12 формирует управляющий импульс, который поступает на фазовый манипулятор измерителя добротности 8. На выходе 8 появляется сигнал длительностью Δt, поступающий в вычислитель 12, где по (1) определяется нагруженная добротность. Как видно из графиков, полученное значение Q (см. кривую h_н = 0.01) лежит выше Q_пр, однако это позволяет методом прямых измерений ориентировочно по (2) при подставке в него полученного Q, h_н = 0.01, ε_ж/ε_o= 3 определить оптимальный нормированный уровень. В идеальном случае (в отсутствии случайной погрешности определения Q) данная методика дает точное значение оптимального уровня h_н = 0.03. Данный уровень, как было показано (3), есть результат разницы резонансных длин колебаний E₀₁₁, f_2ген, = 5 ГГц и H₁₁₁, f_2ген = 5 ГГц.At this moment, the calculator 12 fixes the resonance of this oscillation through the pulse shaper 20 — the autolap 23 closes. As the lower cavity of OP 1 is filled, it goes out of resonance: at the output of PD 10, the normalized voltage, the sign of which determines the side of the detuning, calculator 12 acts on the UIT 11 with its control output, changing the current of solenoid 15, and with it the intensity of the constant magnetic field In this case, the magnitude of the detuning of OP 1 caused by the variable level h is compensated by the magnetic permeability of the microwave ferrite 5, i.e. the setting of OP 1 remains unchanged. After filling the lower cavity, the calculator 12 generates a control pulse, which is fed to the phase manipulator of the Q-meter 8. At the output 8, a signal of duration Δt appears, which enters the calculator 12, where the loaded Q-factor is determined by (1). As can be seen from the graphs, the obtained value of Q (see the curve h _n = 0.01) lies above Q _ol , however, this allows the direct measurement method approximately according to (2) when the obtained Q is substituted into it, h _n = 0.01, ε _w / ε _o = 3 determine the optimal normalized level. In the ideal case (in the absence of a random error in determining Q), this technique gives the exact value of the optimal level h _n = 0.03. This level, as was shown (3), is the result of the difference in the resonance oscillation lengths E ₀₁₁ , f _2gen , = 5 GHz and H ₁₁₁ , f _2gen = 5 GHz.

Покажем, как формируется данная доза. Автоклапан 23 открывается, под действием давления поршень 22 опускается вниз, вытесняя жидкость в рабочий объем 14, поршень 4 начинает опускаться, выводя ОР 3 из резонанса колебания H₀₁₁ на частоте f_2ген = 5 ГГц. ОР 1 посредством ФАПЧ находится в резонансе на частоте f_1ген. После того как значение тока соленоида достигнет своего минимального значения I_min, автоклапан 23 закрывается, устройство 21 впуска-выпуска жидкости начинает ее подачу в объем 14. Следующий резонанс на f_2ген = 5 ГГц возникает колебание E₀₁₁ и далее H₁₁₁, впуск жидкости прекращается. Автоклапан 23 открывается и под действием давления поршень 22 поднимается до положения, соответствующего резонансу колебания E₀₁₁ на частоте f_2ген = 5 ГГц. Автоклапан 23 закрывается. Цепь ФАПЧ ОР 1 неизменна, измеритель добротности 8 после резонанса E₀₁₁ в ОР 3 дозатора переходит в режим измерения нагруженной добротности. Ее величина соответствует Q_пр, а комбинация колебаний E₀₁₁, f_2ген = 5 ГГц и H₁₁₁, f_2ген = 5 ГГц определяет текущую электропроводность жидкости γ_ж. После определения γ_ж автоклапан 23 открывается, жидкость вытесняется под действием давления в объем 14, измеритель добротности 8 переходит в режим ФАПЧ, после вытеснения жидкости ток соленоида 15 минимален - I_min и вычислитель 12 дает команду устройству 21 впуска-выпуска жидкости на выпуск всей дозы объема 14: действием давления поршень 4 поднимается, при этом в ОР 3 возникают резонансы колебаний H₁₁₁, E₀₁₁, H₀₁₁, E₂₁₁, E₀₂₁, H₁₂₁, H₁₁₂, E₀₂₁ и E₀₁₂ в обратном порядке - схема пришла в исходное состояние.We show how this dose is formed. The auto-valve 23 opens, under the action of pressure, the piston 22 drops down, displacing the liquid into the working volume 14, the piston 4 begins to lower, removing the OP 3 from the resonance of the oscillation H ₀₁₁ at a frequency f _2gen = 5 GHz. OP 1 through the PLL is in resonance at a frequency f _1gen . After the value of the solenoid current reaches its minimum value I _min , the auto valve 23 closes, the fluid inlet-outlet device 21 begins to flow into volume 14. The next resonance at f _2gen = 5 GHz is the oscillation of E ₀₁₁ and then H ₁₁₁ , the fluid inlet stops . The automatic valve 23 opens and under the action of pressure the piston 22 rises to a position corresponding to the resonance of the oscillation E ₀₁₁ at a frequency f _2gen = 5 GHz. The auto valve 23 closes. The PLL circuit OP 1 is unchanged, the Q-factor meter 8, after resonance E ₀₁₁ in the OP 3 of the dispenser, goes into the measurement mode of the loaded Q-factor. Its value corresponds to Q, _etc., and combination vibrations E _011, f = 5GHz _2gen and H _111, f = 5GHz _2gen determines the current fluid conductivity γ _w. After determining γ _w avtoklapan 23 is opened, liquid is forced under pressure in volume 14, Q meter 8 is changed in the PLL mode, after displacement of the solenoid current fluid 15 is minimal - I _min and computer 12 instructs the apparatus 21 the inlet-outlet of fluid to release the entire dose volume 14: the pressure of the piston 4 rises, while in OP 3 resonances of oscillations H ₁₁₁ , E ₀₁₁ , H ₀₁₁ , E ₂₁₁ , E ₀₂₁ , H ₁₂₁ , H ₁₁₂ , E ₀₂₁ and E _{012 arise} in the reverse order - the circuit arrived the initial state.

В качестве элементов связи 17 и 18 предлагается использовать излучающие крестообразные или круглые щели. Возбуждающую щель 17 необходимо расположить на нижней торцевой стенке ОР 17, а приемную 18 - на боковой на расстоянии L = λ_2ген/8 (λ_2ген - длина волны генератора перестраиваемых частот 19) от нижней торцевой стенки. Универсальность названных форм щелей объясняется тем, что они являются излучающими практически для любого направления поверхностных токов резонатора 3. Достоинство: простота реализации; недостаток - уменьшение добротности ОР и связанный с этим рост погрешности дозирования.As elements of communication 17 and 18, it is proposed to use radiating cruciform or round slits. The exciting gap 17 must be located on the lower end wall of the OP 17, and the receiving 18 - on the side at a distance L = λ _2gen / 8 (λ _2gen is the wavelength of the tunable frequency generator 19) from the lower end wall. The universality of these forms of slots is explained by the fact that they are emitting for almost any direction of the surface currents of the resonator 3. Advantage: ease of implementation; the disadvantage is a decrease in the quality factor of OP and the associated increase in the dosage error.

Эффективность предлагаемого изобретения выражается
1. в расширении диапазона измерений. В прототипе он равен одному порядку изменения электропроводности, для предлагаемого технического решения, с учетом теоретических и экспериментальных исследований, - три порядка изменения;
2. в увеличении чувствительности за счет большей добротности нагруженной системы. Добротность цилиндрического ОР как системы с рассредоточенными параметрами примерно на два порядка выше добротности колебательной системы с сосредоточенными параметрами прототипа;
3. в увеличении функциональных возможностей - возможность дозирования электролита по известной или измеренной электропроводности, в формировании заранее заданного объема электролита, в измерении диэлектрической проницаемости - наряду с измерением концентрации, как в прототипе;
4. в постоянстве чувствительности выходного сигнала к изменению измеряемой величины на несколько порядков.The effectiveness of the invention is expressed
1. in expanding the range of measurements. In the prototype, it is equal to one order of change in electrical conductivity, for the proposed technical solution, taking into account theoretical and experimental studies, - three order of change;
2. in increasing the sensitivity due to the higher quality factor of the loaded system. The quality factor of a cylindrical OR as a system with dispersed parameters is about two orders of magnitude higher than the quality factor of an oscillating system with lumped prototype parameters;
3. in increasing the functionality - the possibility of dosing the electrolyte according to known or measured electrical conductivity, in the formation of a predetermined volume of electrolyte, in measuring the dielectric constant - along with measuring the concentration, as in the prototype;
4. the constancy of the sensitivity of the output signal to a change in the measured value by several orders of magnitude.

Claims

A device for determining the concentration of an electrolyte containing a cell in the circuit of a microwave generator of discrete frequencies and a calculator, characterized in that the measuring cell is made in the form of two cylindrical resonators of a common diameter - a working variable length and a measuring one, separated by a metal partition, on the axis of which there is an automatic valve, in this case, the liquid is separated from the cavity of the working resonator by a freely moving piston, which changes its length by the volume of liquid, the measuring resonator contains a single dielectric piston moving along its length and the volume of a compensating microwave ferrite located horizontally close to the upper end wall, two couplers, a Q-factor, a phase detector, a controlled current source, a pulse shaper, a device for controlling the inlet-outlet of the liquid and creating excess pressure connected to the input of the working resonator, as well as a microwave constant frequency generator, the output of the latter through the first and second shoulders of the first coupler connected to the first input of the phase detector, and through the first and third shoulders to the first input of the Q factor meter, the first output of which is combined with the exciting oscillation loop H _{011 of the} measuring resonator containing the receiving loop, the oscillation H ₀₁₁ , which is connected through the first and second arms of the second coupler with the second input of the phase detector, and through the first and third shoulders with the second input of the quality factor meter, the second output of which is connected to the first information input of the computer, the second and third inputs of which are connected respectively, with the output of the phase detector and the output of the pulse shaper, the control outputs of the calculator are combined with the corresponding control inputs of the Q factor meter, microwave discrete frequency generator, device for controlling the inlet and outlet of the liquid and creating excessive pressure, a controlled current source, the circuit of which includes a solenoid wound from the outside measuring volume resonator at the level of microwave ferrite to create a slowly changing bias field, the working resonator contains transmitting and receiving communication elements in the form of round or cross-shaped slots, while the exciting communication element is connected to the output of the microwave generator of discrete frequencies, and the receiving element is connected to the input of the pulse shaper.