RU2164021C2

RU2164021C2 - Device determining concentration of mixture of various substances

Info

Publication number: RU2164021C2
Application number: RU99109506A
Authority: RU
Inventors: М.В. Жиров; А.С. Совлуков
Original assignee: Жиров Михаил Вениаминович; Совлуков Александр Сергеевич
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-04-30
Publication date: 2001-03-10

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: device has first sensitive element in the form of waveguide resonator contacting tested mixture and connected via elements of excitation and pick-off of oscillations to SHF generator and unit recording resonance frequency of electromagnetic oscillation of this resonator. Specific feature of device lies in incorporation of length of coaxial line with sensitive element in the form of load resistor on one of its ends formed by outer surface of above-mentioned waveguide resonator and connected to internal conductor of coaxial line whose external conductor is grounded on same end. Device also has unit generating H.F. oscillations and recording resonance frequency of electromagnetic oscillations connected to the other end of length of coaxial line. EFFECT: enhanced accuracy of determination of concentration of mixture of various substances under conditions of change of electrophysical parameters of tested liquid. 3 cl, 3 dwg

Description

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. The invention relates to measuring equipment and can be used for high-precision determination of the concentration of mixtures of various substances in containers (process tanks, measuring cells, etc.) or pumped through pipelines.

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.). Various devices for determining the concentration of mixtures are known, based on the difference in the electrophysical parameters of the liquids forming the mixture (US Pat. No. 4,751,476, NKI 331/65; US Pat. No. 4,767,982, NKI 324/640; European Pat. N EP 0902276, class G 01 N 22/00; monograph by Viktorov V.A., Lunkin B.V., Sovlukov A.S. Radio wave measurements of technological process parameters (Moscow: Nauka, 1989, p. 168 - 177). These devices contain capacitive and radio wave sensitive elements (capacitors, waveguides, resonators, etc.). The disadvantage of such measuring devices is their low accuracy, due to the dependence of the measurement results on the electrophysical properties of the controlled substances in their mixture, in particular, the base substance in the mixture (solution, emulsions, etc.).

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. There is also known a technical solution (ed. Certificate of the USSR N 1497531, class G 01 N 22/04), which contains a description of the device, the technical essence of which is closest to the proposed device and adopted as a prototype. This prototype device contains two volume resonators included as frequency-setting elements in the circuits of the respective oscillators, a calculation unit and an indicator. To conduct measurements in the pipeline, volume resonators are built into it in its measuring section in series. This device allows you to determine the concentration, in particular, the moisture content of the base substance, regardless of its grade, which is a function of the electrophysical parameters of this substance.

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. The disadvantage of this prototype device is the low measurement accuracy. The reason for this is the control with the help of these resonators of different regions of the liquid, which obviously predetermines the fundamentally decrease in the accuracy of the measurement when the electrophysical parameters of the controlled liquid change during the measurement.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения. The aim of the invention is to improve the accuracy of measurement.

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. The goal in the proposed device for determining the concentration of a mixture of substances, containing in contact with the controlled mixture of the first sensitive element in the form of a water-filled resonator, connected through the elements of excitation and removal of vibrations, respectively, to the microwave generator and the unit for recording the resonant frequency of electromagnetic waves of this resonator, to the output which is connected by the first input to the calculation unit, connected by the output to the indicator, it also contains a segment of the coaxial line with the contact m with a mixture of the second sensitive element at one of its ends in the form of load resistance formed by the outer surface of the specified waveguide resonator and connected to the inner conductor of the coaxial line, the outer conductor of which is grounded at the same end, and the RF generating unit connected to the other end of the segment of the coaxial line - oscillations and registration of the resonant frequency of electromagnetic waves, the output of which is connected to the second input of the computing unit. At least one of the ends of the waveguide resonator can be made open in the form of a transcendent waveguide or a set of metal lines, the shape and location of which on the surface of this end correspond to the type of oscillations excited in the resonator. The outer surface of the waveguide resonator may be coated with a dielectric sheath.

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. The essential distinguishing features, according to the authors, are: constructive combination of sensitive elements made in the form of a waveguide resonator and load resistance of a segment of a coaxial long line; the execution of at least one of the ends of the waveguide resonator open; coating the outer surface of the waveguide resonator with a dielectric sheath.

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. The combination of distinctive features of the proposed device determines its new property: providing the ability to control one and the same region of a substance located in the technological vessel, measuring cell, etc. This property provides a useful effect formulated for the purpose of the proposal.

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. In FIG. 1 shows the frequency dependence of the dielectric constant of a dispersed substance in a mixture. In FIG. 2 shows a diagram of the proposed device. In FIG. 3 shows the placement of the device during measurements in the technological apparatus. The notation is introduced here: 1 - waveguide resonator, 2 and 3 - excitation elements and oscillation circuit in the waveguide resonator, 4 - microwave generator, 5 - resonance frequency registration unit, 6 and 7 - ends of the waveguide resonator, 8 - coaxial line, 9 - a unit for generating high-frequency oscillations and recording a resonant frequency, 10 is a computation unit, 11 is an indicator, 12 is a wall of a technological apparatus.

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 ε 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 ε(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 ε(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 ε(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. The device operates as follows. As in the prototype, for conducting high-precision measurements of the concentration of a mixture of substances, regardless of the electrophysical parameters of one (base) of the substances in the mixture, two measuring channels are organized with the corresponding sensitive elements in contact with the controlled mixture of substances. For measurements in the proposed device, as in the prototype, the presence of frequency dispersion (i.e., depending on the frequency f) of the dielectric constant ε of at least one of the substances forming the mixture is required. In particular, water with a microwave range of electromagnetic waves has a frequency dispersion. In FIG. Figure 1 shows such a dependence ε (f). In particular, choosing the RF band (less than 100 MHz) for one measuring channel and the microwave band (≈ 10 GHz) for another, we will have different dependences and ε (f) in these frequency ranges and, accordingly, different, required in principle, the dependence of informative parameters - the resonant frequencies of electromagnetic waves - on the concentration of the mixture. Carrying out, as in the prototype, the joint conversion in the unit of subtraction of the resonant frequencies of the two measuring channels, it is possible to ensure the absence of dependence (i.e. invariance) on the electrophysical parameters of one (base) of the substances forming the mixture. Frequency dispersion ε (f) is possessed not only by water, but also by many other substances (alcohols, other polar liquids). In the proposed device spatially combined two (HF and microwave) measuring channel.

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). The first measuring channel (microwave) in the proposed device corresponds to a waveguide resonator 1 located in a container with a controlled substance and containing this substance inside the cavity of the resonator (Fig. 2). In the resonator 1, electromagnetic waves are excited using the microwave generator 4 through the vibration excitation element 2. The resonance frequency of the electromagnetic waves excited in this resonator, taken with the help of the element 3, is determined in the resonant frequency recording unit 5. Elements 2 and 3 can be performed, for example, in the form of wire loops (inductive coupling).

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. The second measuring channel (HF) corresponds to a segment of the coaxial line 8 with load resistance in the form of a sensitive element at one of its ends. This sensitive element is formed by the outer surface of the waveguide resonator 1, also in contact with the controlled mixture. This outer surface of the resonator 1 is connected to the inner conductor of the coaxial line, the outer conductor of which is pinched at this end. In such a segment of a long (coaxial) line, electromagnetic waves are excited in a resonator. For their excitation and determination of the resonant frequency, block 9 (self-oscillator) is used, in which a segment of the coaxial line is a frequency-setting element. To increase the quality factor of such a resonator, it is advisable to cover the outer surface of the resonator 1 with a dielectric sheath. In this case, a substance with arbitrary electrophysical parameters is here a two-layer dielectric characterized by an effective permittivity.

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 ε(f), подлежит определению. The measured values of the resonant frequencies of both measuring channels are sent to the calculation unit 10. From the output of this block, the signal corresponding to the concentration of the mixture goes to indicator 11. This signal does not depend on the electrophysical parameters (in particular, dielectric constant) of one of the substances (base) in the mixture , the degree of content in which another substance, in particular, the content of water or another substance having a frequency dispersion ε (f), is to be determined.

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).To ensure free access of the controlled mixture of substances into the cavity of the waveguide resonator 1, at least one of its ends 6 and 7 can be partially open. Moreover, a transverse waveguide formed, in particular, with a diametrical arrangement of a metal plane at its end inside the cavity of the cavity, can serve as such an end wall. The end wall of the resonator 1 can also be a set of metal lines forming a lattice, the shape and location of which corresponds to the lines of force of the type of oscillations excited in the resonator, in particular, the lower type H ₁₁₁ (see the book Viktorov V.A., Lunkin B.V. ., Sovlukov A. S. Radio wave measurements of technological process parameters. M.: Nauka, 1989, pp. 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. In FIG. 3 shows the placement of the elements of the proposed device in the technological apparatus (shown its metal wall 12). Here, this wall 12 serves as a shield to which the outer conductor of the coaxial line is connected.

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).We give estimates of the sizes of sensitive elements and their corresponding frequency ranges of electromagnetic waves. So, if the diameter of the cavity of the waveguide resonator is 10 mm, and its length is 15 mm, then the operating frequency range should be selected above the frequency of 20 GHz, the critical frequency for the lowest type of oscillations, H ₁₁ . In this case, the operating frequency range of the RF measuring channel (a segment of a coaxial line with a load in the form of an RF sensitive element) depends on the length of the line segment. With a length of 1 m, the frequency range is ≈ 75 MHz (for a short-circuit at one end of the line segment; the frequency change is determined by the measuring range of the mixture concentration).

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает высокоточное определение концентрации смеси различных веществ независимо от электрофизических параметров базового контролируемого вещества в смеси. Thus, the proposed device provides high-precision determination of the concentration of a mixture of various substances, regardless of the electrophysical parameters of the base controlled substance in the mixture.

Claims

1. A device for determining the concentration of a mixture of substances, containing the first sensitive element in the form of a waveguide resonator in contact with the mixture, connected through oscillation excitation and pickup elements, respectively, to a microwave generator and a unit for recording the resonant frequency of electromagnetic waves of this resonator, to the output of which the first input, a calculation unit connected by an output to the indicator, characterized in that it also contains a segment of a coaxial line with a sensitive element m at one of its ends in the form of load resistance formed by the outer surface of the specified waveguide resonator and connected to the inner conductor of the coaxial line, the outer conductor of which is grounded at the same end, and the unit for generating RF oscillations and registering the resonance connected to the other end of the segment of the coaxial line frequency of electromagnetic waves, the output of which is connected to the second input of the computing unit.

2. A device for determining the concentration of a mixture of substances according to claim 1, characterized in that at least one of the ends of the waveguide resonator is made open in the form of a transcendental waveguide.

3. The device for determining the concentration of a mixture of substances according to claim 1, characterized in that at least one of the ends of the waveguide resonator is made in the form of a set of metal lines, the shape and location of which on the surface of this end corresponds to the type of oscillation excited in the resonator.

4. A device for determining the concentration of a mixture of substances according to claim 1, characterized in that the outer surface of the waveguide resonator is covered with a dielectric sheath.